3 Constituintes do Universo: Tempo - Espaço - Matéria

No princípio, quando Deus criou os céus e a terra, a terra era informe e vazia, as trevas cobriam o abismo e o espírito de Deus movia-se sobre a superfície das águas. Génesis 1,1

A Bíblia não pretende ser um livro de ciência; não devemos procurar nela nem verdades nem erros científicos. No entanto, à sua maneira, diz a verdade: no relato da criação do mundo, os elementos que compõem o Universo vêm ordenados da mesma forma que os ordena a ciência de hoje. Deus criou o tempo e o espaço quase em simultâneo, seguidos da matéria.

Composição do universo

Nos últimos tempos temos assistido a grandes avanços da Física sobre a origem e a natureza do Universo. No entanto, é precisamente nesta ciência que continua a abundar o mistério. Dada a sua dimensão e a nossa pequenez, é mais o que não se sabe do que o que se sabe acerca do Universo, e muito do que se sabe são apenas conjeturas, hipóteses que carecem de verificação experimental.

No nosso afã de encontrar a Trindade ou a tridimensionalidade transversal a tudo o que Deus Uno e Trino criou, com a maioria dos físicos chegamos à conclusão de que o Universo é composto por Tempo - Espaço – Matéria. Alguns podem opinar que a energia é um quarto elemento, mas não é assim: com a teoria da relatividade geral de Einstein, ficámos a saber que a matéria e a energia são transmutáveis, ou seja, a matéria é uma forma de energia e a energia é uma forma de matéria.

De alguma forma podemos dizer que a matéria ou massa, é energia solidificada ou condensada, a energia é matéria volatizada. Desde a sua natureza trinitária, no princípio, Deus criou três coisas, o tempo, o espaço e a matéria. O Universo é então composto por Tempo, Espaço e Matéria/Energia. O universo é um continuum de matéria que se transforma em energia e energia que se transforma em matéria dentro num marco espácio temporal.

Pela forma como a nossa mente logicamente funciona, somos levados a pensar que a matéria/energia é o conteúdo do universo e que o espaço e o tempo é são respetivamente o lugar e o momento em que a matéria e a energia se transmutam entre si. Ou seja, o Universo é composto por um elemento ativo matéria/energia e dois passivos, o tempo e o espaço.

A teoria da relatividade e a física quântica vieram desafiar a lógica do nosso pensamento no sentido de que nenhum dos três componentes é passivo, todos os três interagem entre si, de uma forma muito complexa, e nenhum dos três é mais importante que o outro; tal como dissemos no caso da tridimensionalidade a família humana, a existência de um dos elementos pressupõe a existência dos outros dois. Podemos também dizer aqui que cada um dos três elementos não existe por si só separadamente dos outros dois, por isso ou os três existem em concomitância ou nenhum dos três existe.

O princípio do universo

Durante séculos os cientistas ateus basearam o seu ateísmo no facto de o Universo não ter princípio nem fim, de sempre ter existido, e riam-se da Bíblia e da Igreja que sempre defenderam que o mundo tem em Deus o seu princípio e o seu fim. Sabemos que o universo é formado por tempo, espaço e matéria; se fosse eterno, o tempo não faria parte da equação, seria estático ou, quanto muito, cíclico.

Albert Einstein, em 1915, com a sua teoria de relatividade, estabeleceu a relação entre matéria, espaço, tempo e gravidade, assim como a equivalência e transmutabilidade entre energia e matéria. Como já dissemos, descobriu ainda que o Universo não é estático, mas que se contrai ou expande.

O padre Georges Lemaître, em 1927, descobriu que o universo estava em expansão e concluiu que houve um dia sem ontem, ou seja, que o Universo resultou de uma explosão cósmica (“Big Bang”) que ocorreu há 13,8 milhares de milhões de anos.

Edwin Hubble, em 1929, – observou com o maior telescópio do mundo (200 polegadas) que as galáxias para além da Via Láctea estavam a afastar-se de nós a uma velocidade proporcional à sua distância da Terra, ou seja, quando mais distantes elas se encontram de nós, mais velozmente de nós se afastam. As suas observações comprovam sem lugar a dúvidas, não só a teoria da expansão do universo, mas também que esta expansão se encontra em aceleração.

Para além destas observações, em 1965, Arno Penzias e Robert Wilson descobriram a radiação cósmica de fundo, conhecida pelas iniciais em inglês CMBR (Cosmic Microwave Background Radiation), presente em todo o espaço. Esta radiação de fundo é a que se observa quando sintonizamos num televisor um canal não ocupado por uma estação de televisão. O ruído que ouvimos é um eco do Big Bang e o formigueiro que vemos assemelha-se a uma fotografia tirada 380 mil anos depois do Big Bang, quando o Universo era ainda muito quente e denso.

Portanto, no princípio, existia um único ponto infinitesimamente denso e mais quente que o interior de uma estrela, ao qual os físicos dão o nome de singularidade; com a explosão desta singularidade e a sua rápida expansão foram criados o tempo, o espaço e posteriormente a matéria. O facto de que o Universo não seja estático e esteja em expansão, torna inconcebível que este sempre tenha existido e possa continuar a existir eternamente em expansão, logo deve ter tido um começo. Esse começo foi o Big Bang.

A representação gráfica do Universo em expansão, segundo a imagem que ilustra este texto, é triangular, coincidindo o vértice do triângulo com a fonte luminosa mais intensa: o Big Bang. Por isso se queremos ter uma ideia de como aconteceu o Big Bang basta acender uma pilha: vemos que a luz se propaga de uma forma triangular, e que este triângulo se expande até a luz se esfumar na distância.

O que analogamente acontece em todos os campos do saber humano é que tudo o que começa a existir, teve uma causa. Portanto, se o Universo começou a existir, a sua existência foi causada. Esta causa, porém, tem que ser em si mesma não causada, imutável, atemporal, imaterial e pessoal, ou seja, Deus.

Um universo oscilante

Sentindo os ateus que o chão lhes fugia debaixo dos pés, e não podendo negar o Big Bang, começaram a argumentar que num futuro distante, o Universo chegará a um ponto máximo de expansão e iniciará o movimento inverso através do qual toda a matéria se reunificará outra vez pela força da gravidade, para posteriormente explodir e se expandir num Universo simultaneamente novo e reciclado, num eterno suceder de “Big Bangs” e “Big Crunchs”.

Ou seja, o universo funcionaria como um ioió, uma grande explosão seguida de expansão que pararia no momento em que a força de expansão igualasse a força da gravidade. Chegado este ponto, o universo entraria no movimento contrario à expansão, ou seja, começaria a encolher-se vertiginosamente quando a força da gravidade superasse e anulasse a força de expansão, até colapsar numa implosão e criar uma nova singularidade, seguida por um novo Big Bang.

O universo seria oscilante, como um elástico que se expande rapidamente até a um ponto máximo, entrando então em desaceleração até parar a expansão e contraindo-se depois tão rapidamente como se expandiu, até chegar a um Big Crunch, ou seja, ao ponto infinitamente denso que daria origem a um novo Big Bang.

Esta teoria parece estar em consonância com a primeira lei da termodinâmica, (nada se cria, nada se perde tudo se transforma) a matéria é sempre a mesma, reciclando-se eternamente, pelo que o Universo não tem princípio nem fim. Representando esta ideia em filosofia está a teoria do eterno retorno - a história repete-se, como dizem alguns historiadores. Em religião, temos a teoria da reincarnação e a conceção cíclica do tempo, como entendiam os gregos: primavera, verão, outono, inverno, etc.

No entanto, isto não é o que vai acontecer desde observações feitas com o telescópio Hubble não apontam nesse sentido. A ascensão de um foguete pode nos dar uma ideia do que vai acontecer. Um foguetão ascende na atmosfera porque tem uma força superior à da gravidade que o atrai para a terra. Se lhe faltar o combustível, deixará de subir e a gravidade fá-lo -á voltar ao lugar inicial. Porém, se não lhe faltar o combustível e subir a mais de 12 Km por segundo, nunca mais voltará à terra e para sempre se distanciará de nós. É o que acontece com o nosso universo: a aceleração cósmica da expansão é tão elevada e, a densidade da matéria (que proporciona a gravidade) é tão baixa, que todos os objetos continuam a distanciar-se de nós para sempre.

O fim do Universo

Num Universo fechado, a gravidade pararia a expansão quando esta chegasse ao limite e seria seguida por uma contração. Mas o Universo é aberto e ilimitado, pelo que pode expandir-se eternamente, e tudo indica que a expansão está em aceleramento.

A velocidade de expansão das galáxias é demasiado grande para que a sua gravidade consiga inverter o movimento. Ainda que num futuro abrandassem, já estariam demasiado distantes para que a gravidade as obrigasse a contraírem-se. Portanto, a expansão é irreversível porque não há matéria suficiente no Universo para a força da sua gravidade a fazer parar. Assim, ou num dado momento o Universo congela ou se expande até gastar toda a sua energia e morrer.

A diminuição de massa devido ao esgotamento de energia diminui a força da gravidade, fazendo com que a inversão de marcha seja impossível. O Universo vai expandir-se até à morte que ocorrerá quando tiver gasto toda a sua energia.

Segundo a primeira lei da termodinâmica, na transmutação entre energia e matéria, nada é criado, nada é destruído, tudo se transforma, o que estaria de acordo com um Universo eterno e oscilante. Porém, nos termos da segunda lei da termodinâmica, a transformação de matéria em energia não é possível sem a deterioração ou desgaste irreversível da primeira. Por isso, os processos naturais conhecidos são quantitativamente conservadores (1ª lei) e qualitativamente degenerativos (2ª lei).

À primeira vista, pode parecer que a primeira lei da termodinâmica dá razão aos ateus e ao seu universo oscilante. Se a energia não pode ser criada nem destruída, isso significa que a energia pode ser reciclada ad aeternum.

Sim e não. A energia não pode ser criada nem destruída, mas pode mudar ou ser transferida de formas mais úteis para formas menos úteis. Em cada transferência ou transformação de energia no mundo real, uma certa quantidade de energia é convertida numa forma que não é reutilizável. Na maioria dos casos, esta energia inutilizável assume a forma de calor.

É certo que o calor em circunstâncias idóneas pode ser reutilizado. No entanto, nunca pode ser transformado no tipo de energia mecânica com o mesmo desempenho e eficiência de 100%. Por isso, cada vez que acontece uma transferência de energia, uma certa quantidade de energia útil (embora não se perdendo em conformidade com a 1ª lei) passará à categoria inútil (em conformidade com a 2ª lei da termodinâmica ou lei de entropia). Se assim não fosse, se só existisse a primeira lei da termodinâmica, seria possível construir um motor que consumisse só a energia que produz e que produzisse a energia que consome para se manter em funcionamento.

A razão pela qual o Universo não pode ressurgir dando lugar a outro Big Bang, mesmo que se contraia, é que o Universo é extremamente ineficaz (entropia): longe de poupar, desperdiça energia. De facto, o Universo é tão ineficaz que o ressurgir resultante do seu colapso seria apenas 0,00000001% do Big Bang original. Um ressurgir tão insignificante resultaria num novo colapso quase imediato e o Universo acabaria por transformar-se num buraco negro gigante para o resto da eternidade.

A analogia do sol

Tudo no Universo se processa de uma forma análoga. No nosso pequeno mundo, o sistema solar é composto por uma estrela - o sol - rodeada por 8 planetas, dos quais o nosso é o terceiro. Devemos a vida ao astro rei, mas este já não é jovem, já penteia cabelos bancos. De facto, tal como uma vela que aumenta a chama antes de se apagar, tal como um ser humano que parece melhorar antes de morrer (as chamadas melhoras da morte), dentro de mil milhões de anos a luminosidade do sol aumentará e ocupará dois terços do nosso céu. Os oceanos secarão, a atmosfera desaparecerá. Muito antes disto, o nosso planeta não oferecerá condições mínimas para a existência de vida.

O sol formou-se há 4.500 milhões de anos a partir de uma grande nuvem de pó e hidrogénio, que pelo efeito da gravidade entrou em redemoinho, como um furacão. Esta atração gravitacional fez com que a densidade fosse aumentando e, como esta, a temperatura do núcleo central aumentou também até alcançar os 10 milhões de graus. Nestas condições, aconteceu a fusão nuclear e a estrela começou a emitir luz. Calcula-se que o hidrogénio do sol já tenha reduzido em 40%. Calcula-se também que a Terra tenha surgido há 3.500 milhões de anos e que faltam mil milhões de anos até ao seu fim. Assim sendo e, apesar de faltarem ainda muitos anos, estamos já no último quarto de vida do nosso planeta.

Cada estrela tem o seu destino marcado desde o momento do seu nascimento: conforme a massa que tiver no dia do seu nascimento, assim será a sua morte. O nosso sol vai converter-se primeiro numa gigante vermelha, depois numa nebulosa planetária e quando tiver perdido toda a sua incandescência, numa anã branca, uma estrela 7 vezes maior que o sol, supergigante vermelha – supernova – estrela de neutrões. Uma estrela 40 vezes superior ao sol, transformar-se-á num buraco negro na sua fase final. Tal como as estrelas, o universo vai expandir-se até não ter mais energia para aquecer e para se aquecer e morrerá de frio quando tiver gasto todo o seu combustível.

Tempo

Para a física, o conceito ou coordenada do tempo é uma medida que determina a duração de alguma coisa sujeita a uma mudança. Há, portanto, três tipos de tempo:

O tempo psicológico ou humano que é aquele que cada um de nós experimenta - a nossa memória histórica do que aconteceu e que já não acontece, o presente que decorre agora e flui em direção a um futuro que está para vir.

O tempo cósmico, associado à expansão do universo e que começou no dia do Big Bang, um dia sem ontem e que acabará com o fim do mundo.

O tempo termodinâmico, associado ao incremento da entropia, ou seja, à segunda lei da termodinâmica segundo a qual a matéria não se converte em energia sem sofrer um desgaste; se assim não fosse, seria possível fabricar um motor que produzisse exatamente a mesma energia que consumia, um motor eterno. Mas tal não é possível, os sistemas que dissipam energia são irreversíveis.

Einstein descobriu que o tempo não é absoluto, mas sim relativo: relógios iguais e sincronizados podem medir tempos diferentes se um deles se mover a uma velocidade substancial e o outro ficar parado. Por esta razão, Einstein prefere falar de espaço e tempo como uma entidade única, espaço-tempo. Na verdade, já Kant entendia que o espaço e o tempo eram essenciais para a compreensão da experiência humana, sendo esta tudo o que decorre simultaneamente num tempo e num espaço.

O tempo diminui em proporção da velocidade: quanto mais veloz for o movimento o objeto, menos tempo decorre para ele. Acelera-se a velocidade e desacelera-se tudo à volta da pessoa que se move: o seu relógio, até o seu pensamento. A pessoa não se dá conta, mas um observador externo dá. Aqui reside a base do famoso paradoxo dos dois gémeos.

Um deles parte para uma viagem no espaço a 90% da velocidade da luz; o relógio deste gémeo em viagem move-se 44% mais rapidamente que o relógio do gémeo que ficou na Terra, pelo que o gémeo viajante envelhece mais lentamente que o gémeo que permaneceu na Terra. Depois de 5 anos, quando o gémeo volta do espaço, tem apenas mais 5 anos de idade enquanto que o seu irmão passa já dos 100. Isto que para o nosso pensamento convencional é um paradoxo, é pura realidade na teoria da relatividade.

Espaço

No tempo anterior ao Big Bang, o espaço tinha uma dimensão zero, ou seja, era inexistente. Com a grande explosão vai atingindo dimensões cada vez maiores até aos nossos dias e continua em expansão acelerada, continuando a crescer.

Entende-se por espaço as regiões relativamente vazias do universo, fora da atmosfera dos corpos celestes. Porém, hoje sabemos que não está totalmente vazio de matéria pois contém partículas de hidrogénio, ainda que de baixa densidade, assim como alguma radiação eletromagnética. Hoje sabe-se também que contém formas desconhecidas de matéria e energia, como a matéria negra e a energia negra.

Há um espaço que é real pois pode ser observado e um espaço que intuímos que existe, mas que não temos forma de observar. A luz viaja a uma velocidade de 300 mil quilómetros por segundo; a luz de qualquer estrela tarda milhares de anos a chegar à terra e a das galáxias milhões de anos. Existem corpos tão distantes que a sua luz ainda não chegou até nós desde que se formaram, por isso não podemos observá-los.

Tal como aconteceu com a conceção do tempo, também o espaço desafia a nossa mente convencional. Imaginamos o espaço linear estendido em todas as direções, como um contínuo tridimensional mensurável em altura, largura e profundidade que tudo envolve. Porém, não é assim: o espaço curva-se devido à força da gravidade que nele exercem os astros. Esta é maior ou menor segundo a sua massa. Por exemplo, na terra pesamos 8 vezes mais que na lua. Einstein vê na força da gravidade que faz dobrar o espaço muito mais que uma força: uma manifestação geométrica espaciotemporal.

Energia

Ao tempo do Big Bang, quando o espaço possuía uma dimensão zero, era infinitamente quente. Tal como a luz e o calor que emana uma pilha vão diminuindo à medida que se afastam da sua origem, tal como acontece com a expansão, assim o Universo vai esfriando à medida que se afasta do Big Bang no espaço e no tempo. Nos momentos que se seguiram ao Big Bang, não havia matéria, só havia fotões, eletrões, neutrões e protões. Com a contínua expansão do universo e a consequente descida de temperatura, estas partículas começaram a combinar-se entre si formando o núcleo do átomo de hidrogénio pesado que, combinado com mais neutrões e protões, forma o núcleo do hélio.

Com a descida brusca da temperatura, estas partículas iniciais já não tinham energia suficiente para neutralizar a atração eletromagnética entre elas e começaram a formar átomos, que são os tijolos da matéria.

Em grego, energia significa atividade, operação força. A energia é um conceito abstrato pois não se refere a um objeto físico. No entanto, segundo a teoria da relatividade especial existe uma equivalência entre massa e energia pela qual todos os corpos, pelo facto de serem constituídos por matéria, contêm energia. Vejamos algumas formas de energia:

Energia cinética – É a que possuem os corpos em movimento, dependendo da sua massa e velocidade.

Energia elétrica – Produz-se pela atração ou repulsa entre os corpos carregados eletricamente.

Energia nuclear – É a que resulta da rutura ou cisão do átomo. No caso da energia nuclear utilizada para a produção de eletricidade, trata-se da rutura do átomo de um elemento pesado como o urânio, ao ser bombardeado com neutrões. A fusão nuclear só é possível no interior das estrelas onde a temperatura ascende os cem milhões de graus.

Energia potencial – Uma garrafa parada sobre uma estante tem energia potencial dada a posição que ocupa, pois pode cair.

Energia química – É a energia absorvida, armazenada e libertada nas combinações químicas entre os átomos e as moléculas. As plantas por exemplo utilizam a luz do sol para produzir energia química que armazenam em moléculas orgânicas.

Energia radiante ou luminosa – Energia que se propaga no vazio em forma de ondas eletromagnéticas: luz visível, raios X, raios gama, raios ultravioleta, raios infravermelhos; a luz visível é só uma das formas da luz radiante.

Energia térmica – Quando se acende uma fogueira e se queima madeira, produzimos energia térmica - o calor flui dos corpos que se encontram a maior temperatura para os corpos que se encontram a menor temperatura.

Energia negra – A última forma de energia a ser descoberta há relativamente pouco tempo, em 1999. É mais o que não sabemos do que o que sabemos acerca da energia negra por esta não ser observável. É uma manifestação da gravidade ou da matéria-energia? A energia negra corresponde a 72% do Universo, sendo 23% constituído por matéria negra. Apenas 4,6% são átomos, ou seja, matéria, galáxias, estrelas e planetas.

Matéria

A nível microscópico, a matéria é formada por moléculas e estas por átomos que, por sua vez, se compõem de eletrões protões e neutrões. Para além disto, há ainda um conjunto de partículas subatómicas que formam os eletrões, os protões e os neutrões: quarks.

Macroscopicamente a matéria é o nosso sistema solar, a nossa galáxia e todas as galáxias que formam o universo observável. Fundamentalmente, o nosso universo a nível de matéria é composto por hidrogénio e hélio - 75% e 24%; apenas 1% da matéria conhecida é composta por todos os outros elementos. Todos os objetos celestes visíveis conhecidos, galáxias, estrelas, planetas e nuvens de pó, constituem 10% da massa do Universo; o resto é massa não identificável, indetetável que os astrónomos denominaram de matéria negra.  

Duas são as características principais da matéria: ocupa um lugar no espaço e tem massa. A massa é uma magnitude física fundamental que pode definir-se como a medida da quantidade de matéria que um corpo tem e que determina as suas propriedades de inércia e gravitação.

Como já dissemos, existe uma correspondência entre matéria e energia e energia e matéria; a matéria pode transformar-se em energia e a energia transformar-se em matéria; podemos ver a matéria como uma forma de energia ou a energia como uma forma de matéria; mas a matéria não é energia, nem a energia é matéria. A chama de uma vela, por exemplo, é composta por uma mistura de combustível em forma de vapor, oxigénio, dióxido de carbono, monóxido de carbono e água, por isso podemos dizer que é matéria. Porém, a luz produzida pela chama é energia; o calor produzido também é energia, não matéria. O fogo em si mesmo, porém é um estado de matéria.

Como exemplo de energia que se transforma em matéria e matéria que se transforma em energia, tomemos a combustão do sol que transforma massa, ou seja, matéria em energia. Por sua vez, pela fotossíntese, esta energia absorvida pelas plantas é transformada em massa, pois é responsável pelo seu crescimento.

A matéria existe na natureza em três estados:

Gasoso – As moléculas que constituem um gás quase não se atraem umas às outras, pelo que se movem no vazio a grande velocidade, com muita separação umas das outras.

Líquido – As moléculas dos líquidos não estão tão próximas como as dos sólidos, mas estão menos separadas que as dos gases.

Sólido – Porque opõe resistência a mudanças de forma e de volume. As moléculas de um objeto sólido têm uma grande coesão entre si, pelo que adotam formas bem definidas, resistindo, portanto, a toda mudança de volume ou de forma.

Plasma – Também chamado o quarto estado da matéria é fundamentalmente um gás constituído por eletrões e por iões carregados positivamente. No nosso entender, o plasma não é o quarto estado da matéria pois não é verdadeiramente um estado, mas sim um processo; diz respeito ao exato momento em que a matéria se torna energia. Por isso, tanto pode ser considerado como uma forma ou estado da matéria, como uma forma ou estado da energia.

O nosso sol é constituído por plasma. Na Terra, os raios da trovoada são plasma que ocorre quando o gás atmosférico é aquecido a elevadas temperaturas e é ionizado por correntes elétricas. Uma outra forma de plasma são os ventos solares que interagem com o campo magnético da Terra, criando as auroras boreais. Por fim, a forma de plasma mais próxima de nós, depois que os televisores de plasma desapareceram por consumirem muita energia, são as lâmpadas fluorescentes que contemplamos todos os dias.

Conclusão

O futuro do nosso querido Universo não depende nem da energia nem da matéria visíveis, pois estão em minoria no Universo. Depende antes, da energia negra e da matéria negra. Estas duas estão em luta uma com a outra, como o bem e o mal; a matéria negra exerce uma força centrípeta sobre o Universo; se esta vencer - o mundo colapsa sobre si mesmo.

A energia negra, ao contrário exerce uma força centrífuga sobre o Universo, pelo que se esta última a vencer batalha, o Universo desintegra-se por completo: desintegram-se as estrelas, os sistemas solares, as galáxias e por fim os próprios átomos, protões, eletrões, neutrões e quarks que os constituem.

Seria o fim do Universo. Como a energia negra corresponde a 72% do Universo, sendo só 23% constituído por matéria negra, é de prever que ganhará a energia negra.

Colapsando sobre si mesmo, no caso de ganhar a matéria escura, ou desintegrando-se se o vencedor é a energia escura, de qualquer forma, o Universo está condenado. O nosso único consolo é que não isto não vai acontecer nos nossos dias, pois quando isto acontecer já toda a humanidade se encontra a viver com seu criador, Deus.

O nosso planeta terra está no último quarto da sua vida, ou seja, resta-lhe ainda 1 bilhão de anos. O universo que já existe às 14 bilhões anos parece que tem 5 bilhões mais. Estes fatos devem ser suficientes para matar qualquer ansiedade sobre um fim eminente. O que importa é o princípio que o universo teve um começo em Deus, seu criador e nele terá seu fim. Ele que criou tudo do nada só ele pode reduzir tudo ao nada outra vez.

Pe. Jorge Amaro, IMC