A tese de doutorado de talvez o cientista vivo mais famoso do mundo, Professor Stephen Hawking, foi recentemente disponibilizado ao público online. Ele provou ser tão popular que a demanda para lê-lo causou uma falha em seu site host quando foi carregado pela primeira vez.

Mas dada a complexidade do tópico - "Propriedades de Universos em Expansão" - e o fato de que o livro de Hawking, Uma Breve História do Tempo, também é conhecido como o livro mais não lido de todos os tempos, você pode se beneficiar de um resumo de seu resultado principal.

A tese cobre vários tópicos, incluindo radiação gravitacional recentemente descoberta, mas o capítulo final é a parte que muitos físicos consideram a mais significativa. Trata-se do nascimento do próprio universo, e é simplesmente intitulado "Singularidades".

Teorias de criação

A principal conquista da tese de Hawking foi mostrar efetivamente que a teoria do Big Bang de como o universo começou a partir de um único ponto era fisicamente possível. Não era apenas um incômodo matemático que surgiu das equações que os físicos desenvolveram para descrever a possível evolução do cosmos.

O conceito de que o universo começou há um tempo finito em um Big Bang agora é um fato científico aceito, e, no entanto, continua sendo uma ideia surpreendente. Imagine:toda a matéria em seu corpo já foi - de uma forma ou de outra - comprimida no mesmo volume minúsculo da galáxia mais distante e tudo o que está entre elas. Cerca de 14 bilhões de anos atrás, este ponto se expandiu rapidamente para criar espaço e tempo. Ele continua a se expandir hoje.

Na época do PhD de Hawking na década de 1960, os cientistas ainda estavam discutindo sobre a ideia. Uma alternativa popular ao Big Bang era o modelo do estado estacionário. Os proponentes do modelo do estado estacionário se sentiam desconfortáveis ​​com um universo de idade finita que começou dessa forma. Na verdade, o apelido de "Big Bang" foi cunhado como um termo irônico pelo campeão do Steady State Fred Hoyle. Para entender como Hawking mostrou que realmente era possível, precisamos de alguma física de fundo.

Espaço-tempo e singularidades

No início do século 20, Albert Einstein revolucionou nossa compreensão da gravidade por meio de sua teoria geral da relatividade. Einstein mostrou que poderíamos pensar na gravidade como a curvatura do espaço-tempo, causado pela presença de massa ou energia.

O espaço-tempo é uma forma de pensar sobre a estrutura do universo que combina espaço tridimensional e tempo unidimensional. Todos os objetos existem e todos os eventos acontecem em algum lugar no espaço-tempo. Mas é difícil para a maioria das pessoas imaginar porque, embora possamos nos mover livremente no espaço tridimensional, não podemos viajar para onde quisermos ao longo do tempo. É um pouco como ser um inseto preso na superfície de um lago. Ele só pode se mover em duas dimensões, apesar de haver outra dimensão espacial a explorar.

A relatividade geral expressa como o espaço e o tempo estão ligados. Em sua teoria, Einstein descreveu elegantemente como a curvatura do espaço-tempo está relacionada à densidade de massa e energia em suas "equações de campo".

Depois que essas equações foram publicadas, outros cientistas os usaram para explorar o que acontece com o espaço-tempo em diferentes situações físicas. No caso de objetos onde toda a matéria está concentrada em um único ponto, as equações de campo predizem algo incomum:a curvatura do espaço-tempo torna-se tão extrema que nem mesmo a luz consegue escapar. Hoje sabemos que esses objetos realmente existem como buracos negros, e desde então encontramos evidências para eles no espaço.

Essas situações em que as soluções das equações se tornam infinitas são chamadas de "singularidades". O capítulo final da tese de Hawking explorou essa ideia de singularidades, não para o espaço-tempo em torno dos buracos negros, mas para todo o universo.

Dos buracos negros ao Big Bang

Na cosmologia, um princípio central é que o espaço deve, na média, ser homogêneo e isotrópico. Em outras palavras, em grande escala, o conteúdo do universo deve ser distribuído de maneira bastante uniforme e ter a mesma aparência em todas as direções.

A solução mais simples para as equações de campo de Einstein que satisfaz essas condições é chamada de "métrica Robertson-Walker", nomeado após os cientistas envolvidos em seu desenvolvimento. A métrica é simplesmente o termo que usamos para descrever o intervalo entre dois eventos no espaço-tempo.

Mais importante, a solução Robertson-Walker permite que a parte espacial da métrica mude com o tempo. Isso significa que ele pode descrever um universo no qual o próprio espaço está se expandindo. Edwin Hubble encontrou evidências de que o universo realmente está se expandindo na década de 1920, mostrando que outras galáxias estão se afastando de nós.

A métrica de Robertson-Walker e as equações de campo nos permitem descrever essa expansão em termos do que os cosmólogos chamam de "fator de escala", descrevendo quanto espaço foi expandido ou contraído entre um determinado ponto no tempo e os dias atuais.

Se o universo está se expandindo, deveria ter sido menor e mais denso no passado. Faça o relógio retroceder o suficiente e o fator de escala deve chegar a zero. Toda a matéria e energia do universo deve ter sido contida em um único ponto com densidade infinita:uma singularidade cosmológica. Esta é a base do modelo do Big Bang, um pouco como um buraco negro ao contrário.

Eliminando o estado estacionário

O modelo de estado estacionário tentou eliminar a singularidade cosmológica, que muitos argumentaram que não era plausível. Singularidades foram vistas como deficiências das previsões da relatividade geral e não em linha com as leis conhecidas da física.

No modelo de estado estacionário, o universo é eterno e não tem começo algum. Sua aparente expansão pode ser explicada pela adição de um "campo de criação" ou campo C às equações de Einstein, o que significaria que a matéria é criada continuamente no espaço entre as galáxias à medida que se afastam.

Mas no capítulo final de sua tese de doutorado, Hawking argumentou que a ideia de um campo C veio com seu próprio conjunto de problemas e que o modelo certo envolvia a solução de Robertson-Walker que descreve uma singularidade inicial.

O que ele fez a seguir foi o que muitos consideram inovador. Com base no trabalho do colega físico britânico Roger Penrose, Hawking provou matematicamente que as singularidades não eram uma deficiência da teoria, mas características esperadas da natureza. Ele efetivamente demonstrou que a relatividade geral permitiu um universo que começou em uma singularidade.

Meio século depois, a evidência observacional para o cenário de criação do Big Bang é esmagadora e o modelo de estado estacionário há muito foi abandonado. Hawking fez outras contribuições monumentais à cosmologia e à física teórica. Ler a tese de Hawking é uma visão sobre uma mente excepcionalmente criativa - e os primeiros passos da descoberta no que tem sido uma jornada científica notável.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.