Há um século, Alexander Friedmann imaginou a expansão do universo

Por milênios, o universo fez um bom trabalho em esconder seus segredos da ciência.

Os gregos antigos pensavam que o universo era uma esfera de estrelas fixas em torno de esferas menores que transportavam planetas ao redor da Terra central. Mesmo Copérnico, que no século 16 substituiu corretamente a Terra pelo Sol, via o universo como um único sistema solar envolto pela esfera externa cravejada de estrelas.

Mas nos séculos que se seguiram, o universo revelou um pouco de sua vastidão. Continha inúmeras estrelas aglomeradas em enormes aglomerados, agora chamados de galáxias.

Então, no final da década de 1920, o cosmos revelou seu segredo mais bem guardado de todos: estava ficando maior. Em vez de estático e estável, uma entidade eterna e sempre a mesma que abrange toda a realidade, o universo expandiu-se continuamente. Observações de galáxias distantes mostraram que elas se distanciavam umas das outras, sugerindo que o cosmos atual era apenas a fase adulta de um universo nascido há muito tempo na explosão de uma pequena mancha de energia.

Foi uma surpresa que abalou a ciência em seus fundamentos, derrubando preconceitos filosóficos sobre a existência e lançando uma nova era na cosmologia, o estudo do universo. Mas ainda mais surpreendente, em retrospecto, é que um segredo tão profundo já havia sido suspeitado por um matemático cuja especialidade era prever o tempo.

Há um século, este mês (maio de 1922), o matemático-meteorologista russo Alexandre Friedmann compôs um artigo, baseado na teoria geral da relatividade de Einstein, que delineou múltiplas histórias possíveis do universo. Uma dessas possibilidades descrevia a expansão cósmica, a partir de um ponto singular. Em essência, mesmo sem considerar qualquer evidência astronômica, Friedmann havia antecipado a moderna teoria do Big Bang sobre o nascimento e a evolução do universo.

“A nova visão do universo aberta por Friedmann”, escreve o físico russo Vladimir Soloviev em um jornal recente“tornou-se um fundamento da cosmologia moderna”.

Friedmann não era muito conhecido na época. Ele se formou em 1910 na Universidade de São Petersburgo na Rússia, tendo estudado matemática junto com um pouco de física. Na pós-graduação, ele investigou o uso da matemática em meteorologia e dinâmica atmosférica. Ele aplicou essa experiência em ajudar a força aérea russa durante a Primeira Guerra Mundial, usando matemática para prever o ponto de lançamento ideal para lançar bombas em alvos inimigos.

Após a guerra, Friedmann aprendeu sobre a teoria geral da relatividade de Einstein, que descreve a gravidade como uma manifestação da geometria do espaço (ou, mais precisamente, do espaço-tempo). Na teoria de Einstein, a massa distorce o espaço-tempo, produzindo uma “curvatura” do espaço-tempo, que faz com que as massas pareçam atrair umas às outras.

Friedmann ficou especialmente intrigado com as ideias de Einstein papel de 1917 (e um artigo semelhante de Willem de Sitter) aplicando a relatividade geral ao universo como um todo. Einstein descobriu que suas equações originais permitiam que o universo crescesse ou encolhesse. Mas ele considerou isso impensável, então acrescentou um termo representando uma força repulsiva que (ele pensava) manteria o tamanho do cosmos constante. Einstein concluiu que o espaço tinha uma curvatura espacial positiva (como a superfície de uma bola), implicando um universo “fechado” ou finito.

Friedmann aceitou o novo termo, chamado de constante cosmológica, mas apontou que para vários valores dessa constante, juntamente com outras suposições, o universo pode apresentar comportamentos muito diferentes. O universo estático de Einstein era um caso especial; o universo também pode se expandir para sempre, ou se expandir por um tempo, então se contrair até um ponto e então começar a se expandir novamente.

de Friedmann artigo descrevendo universos dinâmicosintitulado “On the Curvature of Space”, foi aceito para publicação na prestigiosa Zeitschrift für Physik em 29 de junho de 1922.

Einstein se opôs. Ele escreveu uma nota ao jornal alegando que Friedmann havia cometido um erro matemático. Mas o erro foi de Einstein. Mais tarde, ele reconheceu que a matemática de Friedmann estava correta, embora ainda negasse que tivesse qualquer validade física.

Friedmann insistiu no contrário.

Ele não era apenas um matemático puro, alheio aos significados físicos de seus símbolos no papel. Sua profunda apreciação da relação entre equações e a atmosfera o convenceu de que a matemática significava algo físico. Ele até escreveu um livro (O mundo como espaço e tempo) mergulhando profundamente na conexão entre a matemática da geometria espacial e o movimento dos corpos físicos. Os corpos físicos “interpretam” o “mundo geométrico”, declarou ele, permitindo aos cientistas testar quais dos vários mundos geométricos possíveis os humanos realmente habitam. Por causa da conexão física-matemática, ele afirmou, “torna-se possível determinar a geometria do mundo geométrico por meio de estudos experimentais do mundo físico”.

Então, quando Friedmann derivou soluções para as equações de Einstein, ele as traduziu nos possíveis significados físicos para o universo. Dependendo de vários fatores, o universo pode estar se expandindo a partir de um ponto, ou de um estado inicial finito, mas menor, por exemplo. Em um caso que ele imaginou, o universo começou a se expandir a uma taxa de desaceleração, mas depois atingiu um ponto de inflexão, após o qual começou a se expandir a uma taxa cada vez mais rápida. No final do século 20, os astrônomos medindo o brilho de supernovas distantes concluíram que o universo havia tomado esse rumo, um choque quase tão surpreendente quanto a expansão do próprio universo. Mas a matemática de Friedmann já havia previsto tal possibilidade.

foto preto e branco de Edwin Hubble olhando através de um telescópio
Em 1929, Edwin Hubble (mostrado) relatou que galáxias distantes parecem estar voando para longe de nós mais rápido do que galáxias próximas, evidência chave de que o universo está se expandindo.PICTORIAL PRESS LTD/ALAMY STOCK PHOTO

Sem dúvida, o profundo apreço de Friedmann pela sinergia da matemática abstrata e da física concreta preparou sua mente para considerar a noção de que o universo poderia estar se expandindo. Mas talvez ele tivesse alguma ajuda adicional. Embora ele tenha sido o primeiro cientista a propor seriamente um universo em expansão, ele não foi a primeira pessoa. Quase 75 anos antes do artigo de Friedmann, o poeta Edgar Allan Poe havia publicou um ensaio (ou “poema em prosa”) chamado Eureca. Nesse ensaio Poe descreveu a história do universo como se expandindo a partir da explosão de uma “partícula primordial”. Poe até descreveu o universo como crescendo e depois se contraindo de volta a um ponto novamente, exatamente como imaginado em um dos cenários de Friedmann.

Embora Poe tivesse estudado matemática durante seu breve período como estudante em West Point, ele não usou equações em Eureca, e seu ensaio não foi reconhecido como uma contribuição para a ciência. Pelo menos não diretamente. Acontece, porém, que Friedmann era um leitor ávido, e entre seus autores favoritos estavam Dostoiévski e Poe. Então talvez seja por isso que Friedmann foi mais receptivo a um universo em expansão do que outros cientistas de sua época.

Hoje a matemática de Friedmann permanece no centro da teoria cosmológica moderna. “As equações fundamentais que ele derivou ainda fornecem a base para as atuais teorias cosmológicas do Big Bang e do universo em aceleração”, observou o matemático e historiador israelense Ari Belenkiy. em um jornal de 2013. “Ele introduziu a ideia fundamental da cosmologia moderna – que o universo é dinâmico e pode evoluir de maneiras diferentes”.

Friedmann enfatizou que o conhecimento astronômico em sua época era insuficiente para revelar qual das possíveis histórias matemáticas o universo escolheu. Agora os cientistas têm muito mais dados e reduziram as possibilidades de uma forma que confirma a presciência da matemática de Friedmann.

Friedmann não viveu para ver os triunfos de seus insights, ou mesmo as primeiras evidências de que o universo realmente se expande. Ele morreu em 1925 de febre tifoide, aos 37 anos. Mas morreu sabendo que havia decifrado um segredo sobre o universo mais profundo do que qualquer outro cientista antes dele. Como sua esposa se lembrava, ele gostava de citar uma passagem de Dante: “As águas em que estou entrando, ninguém ainda atravessou”.


Source: Science News by www.sciencenews.org.

*The article has been translated based on the content of Science News by www.sciencenews.org. If there is any problem regarding the content, copyright, please leave a report below the article. We will try to process as quickly as possible to protect the rights of the author. Thank you very much!

*We just want readers to access information more quickly and easily with other multilingual content, instead of information only available in a certain language.

*We always respect the copyright of the content of the author and always include the original link of the source article.If the author disagrees, just leave the report below the article, the article will be edited or deleted at the request of the author. Thanks very much! Best regards!