11 de Maio de 1998


Quântica explica o universo

Critérios designados como condições de fronteira poderão levar-nos a instantes cada vez mais próximos do Big Bang


José David Lopes

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INCÓGNITA. Os modelos teóricos sobre a expansão do universo não conseguiram ainda convencer todos os cientistas

A questão é pacífica: o universo começou com o Big Bang. O que já não é tão pacífico é o que se passou no momento imediatamente anterior e o que será o seu futuro. O astrofísico Paulo Vargas Moniz, que trabalhou em Cambridge com Stephen Hawking, fala dos recentes estudos sobre a questão e sobre a controversa teoria da supersimetria do universo.

Uma das mais actuais polémicas no campo da cosmologia prende-se com a expansão do universo. Que há de novo nesta área?
Na realidade, há dois aspectos bem recentes que têm atraído a atenção dos investigadores. Por um lado, dados observacionais comunicados recentemente, na Califórnia, que reforçaram os argumentos em favor de um universo em expansão infinita; por outro, a acesa discussão científica entre defensores e opositores do modelo teórico de S. Hawking - N. Turok (Cambridge, Grã-Bretanha) e o do modelo rival de A. Linde (Stanford, EUA) - A. Vilenkin (Tufts-Boston, EUA) acerca da origem de um tal universo. O contexto destes desenvolvimentos é o seguinte: para distâncias espaciais muito grandes, o universo que observamos é muito aproximadamente homogéneo e isotrópico. Isso quer dizer que tem características e propriedades similares em qualquer ponto ou direcção que seja observado. Geometricamente, diz-se então que o nosso universo pode ser descrito por um modelo de Friedmann-Robertson-Walker (FRW). No quadro da teoria da relatividade geral, o espaço-tempo do universo pode ter curvatura e os modelos de FRW podem possuir uma curvatura espacial positiva (fechado como uma esfera), nula (plano como uma folha de papel infinita) ou negativa (aberto como a configuração de uma sela de cavalo). De acordo com a densidade de energia e massa presentes no universo, as equações de Einstein determinam se um modelo de FRW é espacialmente fechado, plano ou aberto. Um universo espacialmente aberto ou plano, na presença de matéria usual, expandir-se-á indefinidamente. A importância dos recentes dados observacionais é que estes parecem reforçar os argumentos em favor de um universo aberto.

E&m que medida?
No III International Symposium on Sources and Detecion of Dark Matter in the Universe, realizado na Califórnia de 18 a 20 de Fevereiro, dois grupos (o Supernova Cosmology Project e o High Z Supernova Study) apresentaram uma série de trabalhos baseados num tipo de estrelas muito particular: as supernovas, que correspondem a estrelas que explodem com tal intensidade que a sua luz pode ser vista a distâncias que correspondem a metade do universo observado. As conclusões foram que as observações de supernovas espalhadas por grandes distâncias indiciam que vivemos num universo que se expande para sempre. Por outras palavras, aparentemente não há massa suficiente no universo para que a atracção gravitacional abrande a expansão iniciada desde a sua origem, usualmente designada de Big Bang. Em particular, parece que os dados observacionais mais recentes se inclinam para um modelo de FRW aberto.

Mas a questão de o universo ser aberto ou expandir-se indefinidamente poderá ser resolvida?
Sem dúvida que mais e melhores dados observacionais poderão confirmar ou não estes resultados. Mas afirmar que algo ficará definitivamente resolvido em ciência é rejeitar a hipótese do próprio avanço científico. Creio que nos próximos anos se estabelecerá com um grau de rigor aceitável qual será a evolução do universo que observamos e como terá sido a sua origem.

Nesse contexto, qual tem sido a contribuição daqueles modelos teóricos?
Os modelos de Hawking-Turok e o de Linde-Vilenkin vieram recentemente animar (e de que maneira) a discussão sobre a origem do universo. No último mês tem sido fascinante observar a frequência e o teor científico dos trabalhos, respostas e contra-respostas surgidos na Internet acerca destes modelos. É um verdadeiro duelo de argumentos entre dois grupos separados pelo oceano Atlântico. Por vezes, as respostas e contra-respostas surgiam com menos de 24 horas de intervalo. Para mim, tem um interesse muito especial, pois assisti em Cambridge ao desenvolver dos argumentos e formulação do modelo de Hawking-Turok. E, além disso, uma das minhas áreas de investigação (que aprendi e desenvolvi em Cambridge) é a origem do universo no contexto da cosmologia quântica. Os modelos de Hawking-Turok e de Linde-Vilenkin constituem formulações sobre como um universo espacialmente aberto pode ter sido originado. Isto é, lidam com o instante em que tal universo surgiu, mas também sobre as características que devia possuir antes desse instante. O cenário é o da cosmologia quântica e Hawking-Turok e Linde-Vilenkin apresentaram modelos teóricos para uma origem quântica consistente de universos espacialmente abertos. Note-se que a cosmologia quântica, por si, representa a aplicação a todo o universo, em particular à sua origem e instantes vizinhos, das leis da mecanica quântica - as mesmas que descrevem com precisão os sistemas atómicos e moleculares. Um ingrediente importante em cosmologia quântica é o uso de critérios - tecnicamente designados de condições de fronteira - que permitem seleccionar estados quânticos (supostamente verosímeis) para o universo. Entre os mais divulgados na última década e meia estavam os de Hartle-Hawking e de Linde-Vilenkin. O uso de tais critérios é particularmente relevante, dado que poderão, juntamente com as equações que descrevem os estados físicos do universo, conduzir a uma explicação completa da evolução e observações cosmológicas. Em particular no referente a instantes cada vez mais próximos do Big Bang.

E qual tem sido o seu trabalho nesse campo?
O principal, nos últimos cinco anos, desde que fui para Cambridge, é a cosmologia quântica supersimétrica (QCS). É um estudo fascinante, que se enquadra no contexto de teorias mais gerais que abrangem a teoria da relatividade geral, juntamente com modelos que descrevem o comportamento das partículas elementares constituintes da matéria e incluindo igualmente aspectos quânticos.

O que é a supersimetria?
A supersimetria é uma propriedade que relaciona as partículas materiais designadas genericamente de bosões - i. e., possuem um valor inteiro, 0, 1, 2, etc. para uma quantidade chamada spin - e as partículas com spin semi-inteiro (i. e., 1/2, 3/2, etc.) designadas genericamente de fermiões. Como exemplo, refira-se que o protão e o electrão, constituintes dos átomos e moléculas, são fermiões, enquanto os fotões, partículas de luz, são bosões. Basicamente, uma transformação de supersimetria leva uma partícula com propriedades exclusivamente bosónicas para um estado em que possui características fermiónicas, e em que a operação recíproca é igualmente efectuada para uma partícula inicialmente fermiónica. No entanto, note-se que a supersimetria é uma conjectura (a qual permite resolver problemas importantes em física teórica) que ainda não foi verificada experimentalmente. A elegância e o poder da supersimetria reside sobretudo no facto de que, em circunstâncias específicas, esta implica a presença inevitável da força gravitacional. É neste quadro que surgem as teorias de supergravidade. Estas são assim extensões da teoria da relatividade geral, com a particularidade que a presença de supersimetria permite obter resultados mais satisfatórios do ponto de vista quântico. Isto é, mais adequados à descrição dos instantes iniciais do universo. A QCS corresponde à formulação de modelos quânticos para o universo em teorias de supergravidade. Em princípio, esses modelos são mais adequados e realistas para descrever os instantes iniciais do universo.

E esses modelos cosmológicos possuem alguma vantagem?
Além das que atrás referi, note-se que a supergravidade pode ser interpretada como uma raiz quadrada de teorias de gravitação. Por outras palavras, certas equações de cosmologia quântica vulgar podem ser obtidas da combinação de sistemas de equações (por vezes mais simples) presentes em QCS: tal constitui uma vantagem considerável em alguns casos. Nesse cenário, os progressos mais recentes em QCS têm permitido estabelecer que a presença de supersimetria selecciona um conjunto de soluções, onde o estado quântico de Hartle-Hawking está presente. A característica mais importante é que esse estado possui propriedades consistentes com as características provenientes da origem e evolução inicial do unvierso, tal como as observadas em 1992 através do satélite COBE. "Pode a marca de uma época quântica supersimétrica no contexto da QCS estar presente nas nossas observações cosmológicas?" A resposta é um sim, mas cauteloso. Aparentemente, a presença de supersimetria numa descrição quântica da origem e evolução do universo parece assim conter a catálise fundamental para a formação de estruturas, isto é, aglomerados de galáxias, estrelas, planetas e... vida. No entanto, muito mais investigação é ainda necessária para atribuir à cosmologia quântica (com ou sem supersimetria) qualquer evidência observacional. Nomeadamente no contexto dos modelos de FRW abertos descritos por Hawking-Turok e que não possuem ainda uma formulação supersimétrica. Esta e outras direcções constituem os meus interesses de investigação num futuro próximo.


A cara da notícia

PAULO VARGAS MONIZ
35 anos
Astrofísico

Paulo Rodrigues Lima Vargas Moniz, nascido em Julho de 1962, é doutorado em gravitação e cosmologia pela Faculdade de Ciências de Lisboa. Em 1993, foi para a Universidade de Cambridge (Grã-Bretanha), onde prosseguiu os estudos de pós-graduação, na maior parte sob o patrocínio do prof. S. W. Hawking. Desde Fevereiro é professor auxiliar no Departamento de Física da Universidade da Beira Interior, onde lecciona astrofísica e relatividade. Preside, além disso, à comissão executiva do Grupo de Astrofísica e Cosmologia. Em 1995 e 1997, recebeu duas menções honrosas da Gravity Research Foundation pelos seus trabalhos de investigação em cosmologia quântica supersimétrica. Actualmente, continua a trabalhar nesta área.









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