O Tamanho do Universo
A velocidade da luz é uma das propriedades mais importantes e fundamentais do nosso Universo. É usada para medir distâncias, para comunicações interplanetárias, e em vários cálculos matemáticos. E isso é apenas o começo.
A velocidade a que a luz viaja através de um vácuo – 299.792 quilómetros (186.282 milhas) por segundo – é estática e imutável. Se você remover essa constante, a própria base da física moderna se desmorona por uma série de razões, e a regra geral pode ser resumida com isso: Nada no universo pode viajar mais rápido do que a velocidade da luz.
Como você pode imaginar, alguma confusão surge quando se considera o fato de que o universo não tem 13,8 bilhões de anos-luz – um número que corresponde com a idade do universo. Pelas estimativas atuais, ele é na verdade um pouco maior, com um diâmetro estimado de cerca de 93 bilhões de anos-luz. E é exatamente isso que podemos ver. O que não podemos ver pode continuar para sempre.
Então, como o universo pode ter 93 bilhões de anos-luz de largura se ele tem apenas 13,8 bilhões de anos e nada pode viajar mais rápido do que a luz?
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Understanding Redshift
Antes de poder entender porque o tamanho do universo é muito maior do que a sua idade, é importante entender exatamente como a luz funciona.
Sir Isaac Newton foi inquestionavelmente uma das maiores mentes para se viver. Além de “inventar” cálculos, ele foi o primeiro cientista a entender verdadeiramente a essência da luz e o que acontece quando você a quebra em suas partes constituintes.
Para começar, sua pesquisa revelou que o preto é a ausência de cor, enquanto a luz branca – como aquela que vem do Sol e outras estrelas – é uma combinação de todas as cores. Olhando a luz de um objeto através de um prisma, pode-se ver os elementos correspondentes que a luz representa, que podem então ser usados para ajudar a determinar a composição do objeto, a temperatura e até mesmo onde ele está no processo evolutivo.
Em mais de uma forma, o trabalho de Newton revolucionou a física e abriu caminho para todos os grandes, incluindo Niels Bohr, Max Planck, e, claro, Albert Einstein. Para os propósitos desta discussão, porém, o cientista mais relevante para construir o trabalho de Newton passou a se chamar Christian Doppler.
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Doppler veio à tona centenas de anos após a morte de Newton, e se você não está familiarizado com seu trabalho, ele descobriu algo que agora é chamado de efeito Doppler. Este processo explica porque alguma luz de fontes cósmicas tende a pousar perto da extremidade vermelha do espectro eletromagnético enquanto alguma luz está mais próxima da extremidade azul.
Em termos simples, o efeito Doppler observa como o comprimento de onda da luz é deslocado com base na direção que a fonte está se movendo, como se algo está vindo em nossa direção ou se afastando. Especificamente, ondas de luz serão esticadas se a fonte estiver se afastando do observador, parecendo assim vermelha (o comprimento de onda mais longo). Por outro lado, as ondas de luz serão comprimidas se o objeto estiver se dirigindo em direção ao observador, aparecendo assim azul (o menor comprimento de onda).
Durante o caminho, um alterador de jogo se apresentou. No final, quase todas as galáxias pareciam estar se deslocando para um comprimento de onda maior, o que significava que pareciam vermelhas, como se estivessem se afastando de nós. Ainda mais espantosamente, não só a maioria das coisas estava se afastando de nós, como também este redshift estava aumentando, significando que os objetos estavam se afastando de nós cada vez mais rápido.
Isso levou à descoberta de que o universo não é estacionário, como alguns acreditavam – ele está realmente se expandindo!
Aversão
Aversão
A Expansão do Universo
Aqui é onde as coisas ficam pegajosas. Nossas observações de redshift revelaram que objetos três vezes mais distantes estão se movendo três vezes mais rápido em relação às galáxias próximas. Quanto mais longe olhamos para o espaço, mais rápido as galáxias estão se movendo – na verdade, elas estão se movendo tão rápido nessas grandes distâncias que facilmente ultrapassam a velocidade da luz. No entanto, como foi dito anteriormente, a velocidade da luz é o limite de velocidade universal. Então como isso pode ser?
Primeiro, note que enquanto há um limite para o que podemos ver, o universo real se estende muito mais longe do que nós podemos compreender. Tudo dentro desse limite é chamado de “universo observável”, e inclui:
- 10 milhões de superclusters
- 25 bilhões de grupos de galáxias
- 350 bilhões de grandes galáxias
- 7 trilhões de galáxias anãs
- 30 bilhões de trilhões de estrelas
Se tudo isso estivesse alojado em 13.7 bilhões de anos-luz de espaço-tempo, o universo pareceria bastante lotado.
O primeiro problema com a suposição de que o tamanho do Universo deveria ser igual à sua idade em anos com base na distância que a luz viaja chega quando olhamos para os primeiros momentos que se seguiram ao Big Bang.
Quando o Universo “surgiu” pela primeira vez há aproximadamente 13,75 bilhões de anos, o próprio espaço-tempo começou a expandir-se a velocidades mais rápidas do que a velocidade da luz. Este período, chamado de inflação, é fundamental para explicar muito mais do que o tamanho do Universo. Ele também cobre coisas como a natureza homogênea do espaço em grande escala e as condições que existiam durante a primeira época.
Basicamente, o universo passou de um estado infinitamente denso e quente para uma vasta área repleta de prótons e nêutrons – partículas que eventualmente se juntaram e forjaram os blocos de construção de toda a matéria – dentro de momentos. Após a inflação inicial ter diminuído, a expansão abrandou. Agora, objectos estão a ser separados por uma força misteriosa chamada energia escura.
Mais rápido que a luz
O que ainda não foi determinado, esta expansão parece estar a acontecer mais rápido que a velocidade da luz, mas isso não significa o que você provavelmente pensa que significa.
I’m afraid the confusion stems from a basic misinterpretation of relativity itself. A teoria afirma que os objetos não podem viajar mais rápido do que a velocidade da luz através do espaço-tempo. No entanto, ela não coloca limites ao próprio espaço-tempo.
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Então, para resumir, o tamanho do espaço não entra em conflito com a física básica.
Essencialmente, as galáxias em si (e quaisquer outros objectos no espaço) não estão a infringir nenhuma lei, porque não estão a viajar pelo espaço mais depressa do que a luz (pelo menos, não no sentido tradicional). Pelo contrário, cada porção do espaço está a expandir-se e a esticar-se. Não é mesmo que as bordas estejam voando para fora, mas que o próprio espaço-tempo – a área entre galáxias, estrelas, planetas, você e eu – está se esticando.
Em resumo, o espaço-tempo está se expandindo e empurrando a matéria para fora. A matéria não está realmente viajando através do espaço-tempo.
Como um interessante aparte, infelizmente, a expansão tem algumas implicações sombrias para o futuro do universo. Assumindo que a expansão continua indefinidamente (e não abranda), o horizonte do universo visível irá gradualmente encolher até que os objetos simplesmente estejam muito distantes para que a luz de uma galáxia alcance outra.
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Por essa razão, muito do que vemos agora estava originalmente muito mais próximo. Graças à expansão, esses objetos foram levados, e algumas galáxias e outros objetos foram deslocados para fora da existência (ou para fora da nossa visão, de qualquer forma). As galáxias mais distantes estão entre as coisas mais antigas do universo, tendo-se formado quando o universo tinha apenas milhões de anos de idade, e é provável que a maioria delas já não exista ou esteja localizada numa secção completamente diferente do cosmos hoje.
Relato adicional por Jaime Trosper.
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