Universo

A palavra Universo vem da antiga palavra francesa Univers, que vem da palavra latina universum. A palavra latina era usada por Cícero e posteriormente por autores latinos em muitos dos mesmos sentidos que a palavra moderna em inglês.

Uma interpretação diferente (maneira de interpretar) do inverso é "tudo girado como um" ou "tudo girado por um". Isto se refere a um modelo grego primitivo do Universo. Nesse modelo, toda matéria estava em esferas rotativas centradas na Terra; segundo Aristóteles, a rotação da esfera mais externa era responsável pelo movimento e mudança de tudo dentro. Era natural que os gregos assumissem que a Terra estava estacionária e que os céus giravam sobre a Terra, pois medições astronômicas e físicas cuidadosas (como o pêndulo de Foucault) são necessárias para provar o contrário.

O termo mais comum para "Universo" entre os antigos filósofos gregos de Pitágoras em diante era το παν (O Todo), definido como toda matéria (το ολον) e todo espaço (το κενον).

O mais amplo significado

O significado mais amplo da palavra Universo é encontrado em De divisione naturae pelo filósofo medieval Johannes Scotus Eriugena, que o definiu como simplesmente tudo: tudo o que existe e tudo o que não existe.

O tempo não é considerado na definição de Eriugena; assim, sua definição inclui tudo o que existe, existiu e existirá, assim como tudo o que não existe, nunca existiu e nunca existirá. Esta definição abrangente não foi adotada pela maioria dos filósofos posteriores, mas algo semelhante está na física quântica.

Definição como realidade

Geralmente pensa-se que o Universo é tudo o que existe, já existiu e existirá. Esta definição diz que o Universo é feito de dois elementos: espaço e tempo, juntos conhecidos como espaço-tempo ou o vácuo; e matéria e diferentes formas de energia e momentum ocupando o espaço-tempo. Os dois tipos de elementos se comportam de acordo com as leis físicas, nas quais descrevemos como os elementos interagem.

Uma definição semelhante do termo Universo é tudo o que existe em um único momento, como o presente ou o início dos tempos, como na frase "O Universo era de tamanho 0".

No livro de Aristóteles The Physics, Aristóteles dividiu το παν (tudo) em três elementos aproximadamente análogos: matéria (o material do qual o Universo é feito), forma (a disposição dessa matéria no espaço) e mudança (como a matéria é criada, destruída ou alterada em suas propriedades e, de forma semelhante, como a forma é alterada). As leis físicas eram as regras que regiam as propriedades da matéria, forma e suas mudanças. Filósofos posteriores como Lucretius, Averroes, Avicenna e Baruch Spinoza alteraram ou refinaram essas divisões. Por exemplo, Averroes e Spinoza têm princípios ativos que regem o Universo, os quais agem sobre os elementos passivos.

Definições de espaço-tempo

É possível formar tempos-espaço, cada um existente mas não capaz de tocar, mover-se ou mudar (interagir uns com os outros). Uma maneira fácil de pensar nisso é um grupo de bolhas de sabão separadas, nas quais as pessoas que vivem em uma bolha de sabão não podem interagir com as de outras bolhas de sabão. De acordo com uma terminologia comum, cada "bolha de sabão" de espaço-tempo é denotada como um universo, enquanto nosso espaço-tempo particular é denotado como o Universo, assim como chamamos nossa lua de Lua. Toda a coleção destes espaço-tempos separados é denotada como o multiverso. Em princípio, os outros universos não conectados podem ter diferentes dimensionalidades e topologias de espaço-tempo, diferentes formas de matéria e energia e diferentes leis físicas e constantes físicas, embora tais possibilidades sejam especulações.

Realidade observável

De acordo com uma definição ainda mais restritiva, o Universo é tudo dentro de nosso espaço-tempo conectado que poderia ter uma chance de interagir conosco e vice-versa.

De acordo com a idéia geral da relatividade, algumas regiões do espaço podem nunca interagir com as nossas, mesmo durante a vida do Universo, devido à velocidade finita da luz e à contínua expansão do espaço. Por exemplo, mensagens de rádio enviadas da Terra podem nunca alcançar algumas regiões do espaço, mesmo que o Universo exista para sempre; o espaço pode se expandir mais rapidamente do que a luz pode atravessá-lo.

Vale ressaltar que essas regiões distantes do espaço são tomadas para existir e fazer parte da realidade tanto quanto nós; no entanto, nunca podemos interagir com elas, mesmo em princípio. A região espacial dentro da qual podemos afetar e ser afetados é denotada como o universo observável.

Estritamente falando, o universo observável depende da localização do observador. Ao viajar, um observador pode entrar em contato com uma região de espaço-tempo maior do que um observador que permanece imóvel, de modo que o universo observável para o primeiro é maior do que para o segundo. No entanto, mesmo o viajante mais rápido pode não ser capaz de interagir com todo o espaço. Tipicamente, o "universo observável" significa o universo visto do nosso ponto de vista na Via Láctea Galáxia.

O Universo é enorme e possivelmente infinito em volume. A matéria que pode ser vista está espalhada por um espaço de pelo menos 93 bilhões de anos-luz. Para comparação, o diâmetro de uma galáxia típica é de apenas 30.000 anos-luz, e a distância típica entre duas galáxias vizinhas é de apenas 3 milhões de anos-luz. Como exemplo, nossa galáxia Via Láctea tem aproximadamente 100.000 anos-luz de diâmetro, e nossa galáxia irmã mais próxima, a Galáxia Andrômeda, está localizada a cerca de 2,5 milhões de anos-luz de distância. O Universo observável contém mais de 2 trilhões (¹⁰¹²) de galáxias e, em geral, tantas como 1×1024 estrelas (mais estrelas que todos os grãos de areia do planeta Terra).

As galáxias típicas variam de galáxias anãs com apenas dez milhões (¹⁰⁷) de estrelas até gigantes com um trilhão (¹⁰¹²⁾ de estrelas, todas orbitando o centro de massa da galáxia. Assim, uma estimativa muito aproximada destes números sugere que há cerca de um sextilhão (1021) de estrelas no universo observável; embora um estudo de 2003 realizado por astrônomos da Universidade Nacional Australiana tenha resultado em um número de 70 sextilhões (7 x 1022).

A matéria que pode ser vista está espalhada por todo o universo, quando a média é de distâncias superiores a 300 milhões de anos-luz. Entretanto, em escalas menores de comprimento, a matéria é observada para formar 'tufos', muitos átomos são condensados em estrelas, a maioria das estrelas em galáxias, a maioria das galáxias em grupos e aglomerados de galáxias e, por último, as estruturas de maior escala, como a Grande Muralha de galáxias.

A densidade total atual do Universo é muito baixa, aproximadamente 9,9 × 10-30 gramas por centímetro cúbico. Esta energia em massa parece consistir de 73% de energia escura, 23% de matéria escura fria e 4% de matéria comum. A densidade dos átomos é de aproximadamente um único átomo de hidrogênio para cada quatro metros cúbicos de volume. As propriedades da energia escura e da matéria escura não são conhecidas. A matéria escura retarda a expansão do Universo. A energia escura torna sua expansão mais rápida.

O Universo é antigo e está mudando. O melhor palpite da idade do Universo é de 13,798±0,037 bilhões de anos, com base no que foi visto da radiação cósmica de fundo de microondas. Estimativas independentes (baseadas em medições como a datação radioativa) concordam, embora sejam menos precisas, variando de 11-20 bilhões de anos. a 13-15 bilhões de anos.

O universo não tem sido o mesmo em todos os momentos de sua história. Isto se torna cada vez maior explica como as pessoas ligadas à Terra podem ver a luz de uma galáxia a 30 bilhões de anos-luz de distância, mesmo que essa luz tenha viajado por apenas 13 bilhões de anos; o próprio espaço entre elas se expandiu. Esta expansão é consistente com a observação de que a luz de galáxias distantes foi deslocada para o vermelho; os fótons emitidos foram esticados para comprimentos de onda mais longos e com menor freqüência durante sua jornada. O ritmo desta expansão espacial está acelerando, com base em estudos de supernovas tipo Ia e outros dados.

As quantidades relativas de diferentes elementos químicos - especialmente os átomos mais leves como hidrogênio, deutério e hélio - parecem ser idênticas em todo o universo e ao longo de toda a história dele que conhecemos. O universo parece ter muito mais matéria do que antimatéria. O Universo parece não ter nenhuma carga elétrica líquida. A gravidade é a interação dominante a distâncias cosmológicas. O Universo também parece não ter nenhum momento líquido ou momento angular. A ausência de carga líquida e momento é esperada se o Universo for finito.

O Universo parece ter um continuum espaço-tempo suave feito de três dimensões espaciais e uma dimensão temporal (tempo). Em média, o espaço é quase plano (curvatura próxima a zero), o que significa que a geometria euclidiana é experimentalmente verdadeira com alta precisão em grande parte do Universo. Entretanto, o Universo pode ter mais dimensões e seu espaço-tempo pode ter uma topologia global multiplamente conectada.

O Universo tem as mesmas leis físicas e constantes físicas por todo o lado. De acordo com o Modelo Padrão de Física vigente, toda a matéria é composta de três gerações de leptões e quarks, sendo ambos férmions. Estas partículas elementares interagem através de no máximo três interações fundamentais: a interação eletroweak que inclui o eletromagnetismo e a força nuclear fraca; a força nuclear forte descrita pela cromodinâmica quântica; e a gravidade, que é melhor descrita no momento pela relatividade geral.

A relatividade especial se mantém em todo o universo no espaço e no tempo locais. Caso contrário, a relatividade geral se mantém. Não há explicação para os valores particulares que as constantes físicas parecem ter em todo nosso universo, tais como a constante h de Planck ou a constante gravitacional G. Várias leis de conservação foram identificadas, tais como a conservação da carga, conservação do momento, conservação do momento angular e conservação da energia.

Teoria geral da relatividade

Previsões precisas do passado e do futuro do universo exigem uma teoria precisa da gravitação. A melhor teoria disponível é a teoria geral da relatividade de Albert Einstein, que passou em todos os testes experimentais até agora. Entretanto, uma vez que experimentos rigorosos não foram realizados em escalas de comprimento cosmológico, a relatividade geral pode ser conceitualmente imprecisa. No entanto, suas previsões parecem ser consistentes com as observações, portanto não há motivo para adotar outra teoria.

A relatividade geral fornece um conjunto de dez equações diferenciais parciais não lineares para a métrica de espaço-tempo (equações de campo de Einstein) que devem ser resolvidas a partir da distribuição da energia em massa e do momentum em todo o universo. Como estas são desconhecidas em detalhes exatos, os modelos cosmológicos têm sido baseados no princípio cosmológico, que afirma que o universo é homogêneo e isotrópico. Com efeito, este princípio afirma que os efeitos gravitacionais das várias galáxias que compõem o Universo são equivalentes aos de uma fina poeira distribuída uniformemente por todo o Universo com a mesma densidade média. A suposição de uma poeira uniforme facilita a solução das equações de campo de Einstein e prevê o passado e o futuro do Universo em escalas de tempo cosmológicas.

As equações de campo de Einstein incluem uma constante cosmológica (Lamda: Λ), que está relacionada a uma densidade de energia de espaço vazio. Dependendo de seu signo, a constante cosmológica pode ou retardar (Λ negativo) ou acelerar (Λ positivo) a expansão do universo. Embora muitos cientistas, incluindo Einstein, tivessem especulado que Λ era zero, observações astronômicas recentes do tipo Ia supernovae detectaram uma grande quantidade de energia escura que está acelerando a expansão do universo. Estudos preliminares sugerem que esta energia escura está relacionada a um Λ positivo, embora ainda não se possa descartar teorias alternativas.

Modelo Big Bang

O modelo Big Bang predominante é responsável por muitas das observações experimentais descritas acima, tais como a correlação de distância e redshift de galáxias, a razão universal de átomos de hidrogênio:hélio e o fundo de radiação de microondas isotrópico e onipresente. Como observado acima, o redshift surge da expansão métrica do espaço; conforme o espaço em si se expande, o comprimento de onda de um fóton que viaja através do espaço também aumenta, diminuindo sua energia. Quanto mais tempo um fóton viaja, mais expansão ele sofre; portanto, os fótons mais antigos de galáxias mais distantes são os mais deslocados para o vermelho. Determinar a correlação entre distância e redshift é um problema importante na cosmologia física experimental.

Outras observações experimentais podem ser explicadas pela combinação da expansão geral do espaço com a física nuclear e a física atômica. À medida que o universo se expande, a densidade de energia da radiação eletromagnética diminui mais rapidamente que a da matéria, já que a energia de um fóton diminui com seu comprimento de onda. Assim, embora a densidade de energia do universo seja agora dominada pela matéria, ela já foi dominada pela radiação; poeticamente falando, tudo era luz. À medida que o universo se expandia, sua densidade de energia diminuía e se tornava mais fria; ao fazê-lo, as partículas elementares da matéria podiam se associar de forma estável em combinações cada vez maiores. Assim, no início da era dominada pela matéria, formaram-se prótons e nêutrons estáveis, que depois se associaram em núcleos atômicos. Nesta fase, a matéria no universo era principalmente um plasma quente e denso de elétrons negativos, neutrinos neutros e núcleos positivos. As reações nucleares entre os núcleos levaram à abundância atual dos núcleos mais leves, particularmente hidrogênio, deutério e hélio. Eventualmente, os elétrons e núcleos se combinaram para formar átomos estáveis, que são transparentes à maioria dos comprimentos de onda de radiação; neste ponto, a radiação se desacoplou da matéria, formando o fundo isotrópico e ubíquo da radiação de microondas observada hoje em dia.

Outras observações não são claramente respondidas pela física conhecida. De acordo com a teoria dominante, um leve desequilíbrio da matéria sobre a antimatéria estava presente na criação do universo, ou se desenvolveu muito pouco tempo depois. Embora a matéria e a antimatéria se aniquilassem mutuamente, produzindo fótons, um pequeno resíduo de matéria sobreviveu, dando ao universo atual dominado pela matéria.

Várias linhas de evidência também sugerem que uma rápida inflação cósmica do universo ocorreu muito cedo em sua história (cerca de 10-35 segundos após sua criação). Observações recentes também sugerem que a constante cosmológica (Λ) não é zero, e que o conteúdo líquido de energia em massa do universo é dominado por uma energia escura e matéria escura que não tem sido caracterizada cientificamente. Elas diferem em seus efeitos gravitacionais. A matéria escura gravita como a matéria comum, e assim retarda a expansão do universo; por outro lado, a energia escura serve para acelerar a expansão do universo.

Algumas pessoas pensam que existe mais de um Universo. Eles pensam que existe um conjunto de universos chamado multiverso. Por definição, não há como nada em um universo afetar algo em outro. O multiverso ainda não é uma idéia científica porque não há maneira de testá-lo. Uma idéia que não pode ser testada ou que não é baseada na lógica não é ciência. Portanto, não se sabe se o multiverso é uma idéia científica.

O futuro do universo é um mistério. Entretanto, existem algumas teorias baseadas nas possíveis formas do universo:

• Se o universo for uma esfera fechada, ele deixará de se expandir. O universo fará o contrário e se tornará uma singularidade para outro Big Bang.
• Se o universo for uma esfera aberta, ele irá acelerar a expansão. Após 22.000.000.000.000 (22 bilhões) anos, o universo se dilacerará com a força.
• Se o universo for plano, ele se expandirá para sempre. Todas as estrelas perderão sua energia por isso e se tornarão uma estrela anã. Depois de um ano de googol, os buracos negros também desaparecerão.