Nós estamos sozinhos no universo? O universo é infinito? Vejamos os mistérios mais importantes do cosmos, para os quais a ciência não recebeu uma resposta clara, pelo menos no momento.
O espaço fascina a humanidade desde os tempos antigos. O céu, repleto de estrelas, planetas, cometas e outros fenómenos, desperta a nossa curiosidade e admiração. Também estamos interessados nos mistérios da nossa origem e existência, buracos negros e matéria escura. Ao mesmo tempo, o universo esconde muitos mistérios para os quais não temos respostas. Sugiro conhecer alguns desses mistérios.
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Nós estamos sozinhos no universo?
Esta é uma das questões mais antigas e fundamentais da existência humana. Existe vida além da Terra? Essas formas de vida são inteligentes e podemos nos comunicar com elas? Como é a vida e como ela se desenvolve fora do nosso planeta? Quais são as chances de conhecer outras civilizações? Não temos respostas para estas questões, embora existam várias hipóteses e projetos de investigação. Por exemplo, com base na equação de Drake, os cientistas estão tentando determinar o número de civilizações potenciais em nossa galáxia, e o programa SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence) procura sinais de rádio do espaço. Até agora, porém, não encontramos nenhuma evidência de vida fora do nosso planeta. Embora isso possa significar que é muito raro ou muito difícil de detectar.
Um dos argumentos a favor da existência de vida no universo é o seu enorme tamanho e diversidade. De acordo com as estimativas atuais, a nossa galáxia contém cerca de 100 mil milhões de estrelas, e todo o universo que podemos observar atualmente tem cerca de 100 mil milhões de galáxias. Os cientistas prevêem que pelo menos 10 mil milhões de planetas na Via Láctea são do tamanho da Terra e estão na zona habitável da sua estrela. Ou seja, a uma distância que permite a existência de água na superfície em estado líquido. Alguns destes planetas podem ter condições semelhantes às nossas, ou podem ser completamente diferentes, mas ainda assim favoráveis à vida. Também é possível que a vida extraterrestre possa resistir a condições que nos são hostis ou completamente diferentes das da Terra.
Outro argumento para a existência de vida no universo é a sua extraordinária capacidade de adaptação e evolução. Os cientistas acreditam que a vida surgiu na Terra há cerca de 3,5 mil milhões de anos e, desde então, evoluiu de uma forma surpreendente, criando milhões de espécies de plantas e animais de todas as formas, tamanhos e capacidades. A vida na Terra sobreviveu a muitos cataclismos e mudanças climáticas, adaptando-se às novas condições. Isto está acontecendo mesmo agora em ambientes extremos como fontes termais, bacias oceânicas profundas ou geleiras árticas. Se a vida na Terra é tão flexível e resiliente, por que não deveria ser igual em outros lugares?
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O que aconteceu antes do Big Bang?
De acordo com a teoria cosmológica atualmente dominante, o universo foi formado há cerca de 14 mil milhões de anos como resultado do Big Bang. Foi um momento em que toda a matéria e energia estavam concentradas num ponto infinitesimal de densidade e temperatura infinitas. Como resultado da explosão, iniciou-se a rápida expansão e resfriamento do universo, que continua até hoje. Mas o que aconteceu antes do Big Bang? Existiu outro universo? O Big Bang foi um evento único ou parte de um ciclo? Não temos respostas para estas questões porque a física clássica não consegue descrever o estado do universo antes do Big Bang. No entanto, existem várias hipóteses baseadas em teorias quânticas.
Uma delas é a chamada hipótese de singularidade inicial. Assume que antes do Big Bang não havia nada – nem tempo, nem espaço, nem matéria. Tudo isso se formou apenas no momento da explosão a partir de um ponto de tamanho zero e densidade infinita.
Outra hipótese é a chamada inflação eterna. Supõe-se que antes do Big Bang existia um campo quântico de energia muito alta que se expandia a uma taxa crescente. Este campo era instável e sujeito a flutuações quânticas. Em vários locais do campo, as transições para um estado de energia inferior ocorreram de forma caótica, criando bolhas de espaço com suas próprias leis da física. Cada uma dessas bolhas poderia se tornar o início de outro universo. Nosso universo seria uma dessas bolhas que se formou há cerca de 14 bilhões de anos.
Outra suposição é a chamada hipótese da grande recuperação. Assume que antes do Big Bang existia outro universo que se contraiu e atingiu o seu tamanho mínimo. Depois houve uma recuperação e uma nova fase de expansão começou, e tais ciclos de contração e expansão do universo podem ser repetidos indefinidamente. Esta hipótese é baseada na teoria da gravidade quântica em loop, que tenta reconciliar a mecânica quântica com a teoria geral da relatividade de Einstein.
Como você pode ver, a questão do que aconteceu antes do Big Bang não tem uma resposta simples. Talvez nunca saibamos, ou talvez tenhamos que mudar as nossas concepções de tempo e espaço para encontrar a resposta. Embora a humanidade já tenha provado que pode surpreender.
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Como a vida se originou?
A vida é uma das maiores maravilhas do universo. Organismos capazes de crescimento, reprodução, adaptação e evolução surgiram da matéria inanimada. Mas como isso aconteceu? Como surgiram as primeiras células a partir de moléculas orgânicas simples e como todas as formas de vida na Terra evoluíram a partir delas? Ainda não temos respostas definitivas para estas questões, embora existam várias teorias e hipóteses sobre a origem da vida. Alguns deles são baseados em experimentos e observações, outros em ficções e conjecturas.
Uma das teorias é a chamada hipótese do caldo primário. Supõe-se que a vida se originou nos oceanos da Terra primitiva, onde existiam moléculas orgânicas simples, como aminoácidos, polipeptídeos, bases nitrogenadas e nucleotídeos. Esses compostos poderiam ser sintetizados na atmosfera sob a influência de descargas elétricas ou raios cósmicos e depois entrar nos oceanos. Lá, eles poderiam se combinar em estruturas maiores, como proteínas ou ácidos nucléicos. Com o tempo, com base na seleção natural, poderão surgir os primeiros sistemas de auto-reprodução.
A chamada hipótese da argila sugere que a vida se originou em terras onde existiam minerais de aluminossilicato com estrutura cristalina. Esses minerais poderiam servir como catalisadores e modelos para a criação e organização de moléculas orgânicas. Camadas de proteínas e ácidos nucléicos poderiam se formar na superfície da argila, a partir das quais poderiam se formar as primeiras células cercadas por membranas lipídicas.
Outra teoria é a hipótese das chamadas fontes hidrotermais. Supõe-se que a vida se originou no fundo do oceano, em crateras hidrotermais, de onde emerge água quente, rica em minerais e compostos de enxofre. Nesse ambiente, podem se formar moléculas orgânicas simples e gradientes térmicos e químicos, que promovem reações bioquímicas. As primeiras células protegidas das condições externas podem ter se formado nas fendas das rochas ou nos microporos da chaminé.
Existem muitas teorias e hipóteses semelhantes, mas nenhuma delas foi comprovada de forma conclusiva. A questão da criação da vida ainda está em aberto. Ou talvez tenhamos sido reassentados, por exemplo, de Marte ou Vênus? Poderíamos ter sido criados a partir de alguma matéria ou energia escura?
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O que é matéria escura e energia escura?
Observações astronômicas mostram que a matéria comum (átomos, partículas, planetas, estrelas, etc.) representa apenas cerca de 5% da massa e energia do universo. O resto é a chamada matéria escura (cerca de 27%) e energia escura (cerca de 68%). A matéria escura é invisível porque não absorve nem reflete a radiação eletromagnética, mas tem uma interação gravitacional com outros objetos, sem a qual as galáxias não poderiam se manter unidas e se desintegrariam sob a influência da rotação. A energia escura é uma força misteriosa que acelera a expansão do universo e neutraliza a gravidade. No entanto, não sabemos exatamente o que são a matéria escura e a energia escura, ou como se formaram.
Sabemos que a matéria escura existe porque a quantidade de matéria comum, isto é, aquela composta de átomos ou íons, no universo é pequena demais para gerar as interações gravitacionais que observamos. Por que estou mencionando a gravidade aqui? Porque é uma manifestação da existência da matéria. Em termos simples, a matéria tem uma massa capaz de exercer uma influência gravitacional específica sobre o seu entorno. Se considerarmos cada galáxia, estrela, nuvem de poeira no espaço interestelar, isto é, toda a matéria comum que conhecemos no universo, observaremos muito mais interações gravitacionais do que aquela quantidade de matéria pode criar. Portanto, deve haver algo mais para explicar o excesso de gravidade.
Se existe um efeito, deve haver uma causa. Este é um dos princípios absolutamente fundamentais da ciência e da observação do mundo envolvente, que ajuda a tirar conclusões, descobertas e é um dos melhores guias na procura de possíveis respostas às questões que entusiasmam a ciência. Sabemos da existência da matéria escura graças a uma teoria que descreve como a matéria escura afeta a velocidade de rotação das estrelas nos braços da Via Láctea. Estima-se que deva haver apenas 0,4 a 1 kg de matéria escura na nossa parte da Galáxia, que muito provavelmente ocupa um espaço comparável ao tamanho da Terra.
A suposição de que a matéria escura existe é agora a explicação dominante para as anomalias de rotação galáctica que observamos e para o movimento das galáxias em aglomerados. Ou seja, observações de galáxias comprovam a existência de matéria escura.
Agora vamos passar para a energia escura. É significativamente diferente da matéria escura. Sabemos que a sua influência deve ser repulsiva, levando a uma expansão acelerada do universo. Esta aceleração pode ser medida por observações, porque as galáxias se afastam umas das outras a uma velocidade proporcional à sua distância.
Então, novamente, temos um efeito, portanto deve haver uma causa. Todas as medições atuais confirmam que o universo está se expandindo cada vez mais rápido. Juntamente com outros dados científicos, isto permitiu confirmar a existência da energia escura e dar uma estimativa da sua quantidade no universo. Devido a esta propriedade repulsiva, a energia escura também pode ser considerada como “antigravidade”.
Qual é a diferença entre matéria escura e energia escura? Apesar do nome semelhante, é um erro pensar na energia escura como algo que se relaciona com outros tipos de energia conhecidos, da mesma forma que a matéria escura se relaciona com a matéria comum. Além disso, a matéria escura e a energia escura têm efeitos completamente diferentes no universo.
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A viagem no tempo é possível?
Viajar no tempo é o sonho de muitas pessoas, por isso vemos muitas obras literárias e filmes sobre esse tema. Mas é fisicamente possível? Segundo a teoria da relatividade de Einstein, o tempo não é constante e absoluto, mas depende da velocidade do observador e da força da gravidade. Quanto mais rápido nos movemos, ou quanto mais forte o campo gravitacional, mais lento o tempo passa para nós. Isso significa que viajar para o futuro é possível se atingirmos uma velocidade muito alta ou nos aproximarmos de um objeto muito massivo. Por exemplo, o tempo passa um pouco mais devagar para um astronauta na órbita da Terra do que para uma pessoa na superfície do planeta. No entanto, esta diferença é demasiado pequena para ser perceptível. Para podermos viajar para o futuro, teríamos que viajar a velocidades próximas da velocidade da luz ou estar perto de um buraco negro. No entanto, ambas as opções estão além das nossas capacidades técnicas.
A viagem ao passado é ainda mais complicada e controversa. Parece impossível, porque é proibido por algumas leis físicas. Algumas teorias, porém, permitem a existência das chamadas curvas fechadas do tipo tempo, ou seja, caminhos no espaço-tempo, ciclos no tempo que retornam ao mesmo ponto. Tais caminhos poderiam permitir-nos viajar no tempo, mas exigiriam condições muito invulgares, como um buraco de minhoca ou um buraco negro giratório.
Teoricamente, os buracos negros podem girar, e esse fenômeno é chamado de “buraco negro giratório” ou “buraco negro de Kerr”. Em 1963, o físico americano Roy Kerr propôs um modelo matemático de um buraco negro girando em torno de seu eixo.
No entanto, não sabemos se tais objetos existem e se são estáveis. Além disso, a viagem no tempo cria muitos paradoxos lógicos e contradições de causa e efeito, por exemplo, o paradoxo do avô - o que acontece se um viajante no tempo matar seu avô antes do nascimento de seu pai? Alguns cientistas tentam explicar estes paradoxos sugerindo a existência de mundos múltiplos ou a auto-renovação do espaço-tempo.
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Existem universos paralelos?
O nosso universo é único ou faz parte de uma estrutura maior, o chamado multiverso? Existem outros universos onde a história e a física podem ser diferentes? Podemos interagir ou visitar esses mundos? Estas são questões que preocupam não apenas cientistas, mas também escritores e cineastas. Existem várias hipóteses para a existência de universos paralelos, como a teoria das cordas, a teoria da inflação eterna e a interpretação do multiverso pela mecânica quântica. No entanto, nenhum deles foi confirmado por observações ou experimentalmente.
Uma das hipóteses é a teoria das cordas, que assume que os objetos físicos básicos não são partículas pontuais, mas cordas unidimensionais oscilando no espaço de dez dimensões. A teoria das cordas permite a existência de branas (membranas) hipotéticas, que são objetos multidimensionais feitos de cordas. Nosso universo pode ser uma brana semelhante, suspensa numa dimensão superior. Também é possível que existam outras branas separadas da nossa por uma curta distância. Se as duas branas colidissem uma com a outra, poderiam causar o Big Bang e criar um novo universo.
Outra hipótese é a inflação eterna, mencionada acima. Está associado a um campo quântico de altíssima energia, que se expande a uma taxa crescente.
Uma hipótese interessante é a interpretação do multiverso pela mecânica quântica, que sugere que cada medição quântica leva a uma ramificação do universo em muitos resultados possíveis. Por exemplo, se você medir a posição de um elétron em um átomo de hidrogênio, poderá obter valores diferentes com uma certa probabilidade. Tal interpretação do multiverso sugere que cada uma dessas dimensões é realizada em outro universo e que nos duplicamos com cada dimensão. Dessa forma, cria-se uma infinidade de universos paralelos, diferindo entre si em pequenos detalhes ou em histórias completamente diferentes.
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O que acontece dentro dos buracos negros?
Os buracos negros são objetos cósmicos com densidade e força gravitacional tão altas que nada pode escapar deles, nem mesmo a luz. Eles são formados como resultado do colapso dos núcleos de estrelas moribundas ou da fusão de buracos negros menores. Em torno de cada buraco negro existe uma fronteira chamada horizonte de eventos, que marca o ponto sem retorno para qualquer coisa que se aproxime dele. Mas o que está acontecendo além do horizonte de eventos? O que há dentro de um buraco negro? Não temos respostas para estas questões porque a física clássica não consegue descrever as condições e processos dentro de um buraco negro. No entanto, várias hipóteses baseadas em teorias quânticas ou alternativas são possíveis.
Uma dessas suposições é a hipótese da singularidade. Diz que toda a matéria e energia dentro de um buraco negro estão concentradas em um único ponto de volume zero e densidade infinita e curvatura espaço-tempo. Nesse momento, todas as leis conhecidas da física deixam de ser aplicadas e não sabemos o que está acontecendo ali.
A hipótese estelar de Planck prevê que nas profundezas de um buraco negro, a matéria é comprimida não numa singularidade, mas num estado de densidade e temperatura extremamente elevadas, no qual operam as leis da gravidade quântica (uma combinação de mecânica quântica e relatividade geral). Nesse estado, a matéria poderia ricochetear uma na outra e formar um objeto esférico com um raio próximo ao comprimento de Planck - o menor comprimento possível na física. Seu valor é incrivelmente pequeno: 20 ordens de grandeza menor que o tamanho de um núcleo atômico. Tal objeto pode emitir radiação Hawking (flutuações quânticas acima do horizonte de eventos) e perder gradualmente massa e energia até explodir e liberar todo o conteúdo do buraco negro.
Outra ideia é a chamada hipótese gravastar. Assume que existe uma camada de matéria exótica com pressão negativa na fronteira do horizonte de eventos, o que impede o interior do buraco negro de colapsar numa singularidade. Neste caso, o interior do buraco negro seria um espaço vazio com densidade constante e temperatura zero. Tal estrutura seria estável e não emitiria radiação Hawking.
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O universo tem fim?
O universo é infinito e não tem limites – esta é a resposta mais simples para esta pergunta. Mas o que isso realmente significa e como podemos ter certeza? Existem três cenários possíveis: o universo é ilimitado, finito e fechado (como uma esfera ou um toro), o universo é finito e aberto (como uma sela) ou o universo é infinito e plano. Também não sabemos o que acontece além do horizonte de eventos, o limite do universo observável que resulta da velocidade finita da luz.
Vamos começar com o que sabemos com certeza. Sabemos que o universo está em expansão, o que significa que as distâncias entre as galáxias aumentam constantemente. Sabemos também que o Universo tem cerca de 13,8 mil milhões de anos e que foi formado no Big Bang, um estado de densidade e temperatura extremas que deu origem à matéria, à energia, ao tempo e ao espaço.
Mas o que aconteceu antes do Big Bang? E o que está além do horizonte de eventos - o limite do universo observável, além do qual não podemos ver nada devido à velocidade limitada da luz? Existe um fim para o universo ou uma barreira?
Os cientistas acreditam que isso é improvável. Não há evidência de tal fim ou barreira. Em vez disso, o modelo mais aceitável é aquele em que o universo é homogêneo e isotrópico, ou seja, o mesmo em todas as direções e locais. Tal universo não tem borda nem centro e pode ter tamanho infinito.
É claro que não podemos testar isto diretamente porque não podemos viajar mais rápido que a luz ou ir além do universo observável. Mas podemos inferir as propriedades de todo o universo a partir daquilo que vemos ao nosso alcance. E todas as observações indicam que o universo é homogêneo em grande escala.
Isso não significa que não existam outras opções. Algumas teorias alternativas sugerem que o universo pode ser curvo ou ter uma forma geométrica complexa. Também pode fazer parte de uma estrutura maior ou ter múltiplas cópias ou reflexos.
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Existe uma maneira de viajar mais rápido que a luz?
O movimento mais rápido que a luz é a possibilidade hipotética de matéria ou informação se mover mais rápido que a velocidade da luz no vácuo, que é cerca de 300 km/s. A teoria da relatividade de Einstein prevê que apenas partículas com massa de repouso zero (como os fótons) podem viajar à velocidade da luz e que nada pode viajar mais rápido. Foi feita uma suposição sobre a possibilidade da existência de partículas com velocidade superior à velocidade da luz (táquions), mas sua existência violaria o princípio da causalidade e significaria deslocamento no tempo. Os cientistas ainda não chegaram a um consenso sobre esta questão.
No entanto, foi sugerido que algumas regiões distorcidas do espaço-tempo podem permitir que a matéria chegue a lugares distantes em menos tempo do que a luz no espaço-tempo normal (“não distorcido”). Tais regiões "aparentes" ou "eficazes" do espaço-tempo não são excluídas pela teoria geral da relatividade, mas a sua plausibilidade física não está atualmente confirmada. Exemplos são o impulso de Alcubierre, tubos de Krasnikov, buracos de minhoca e tunelamento quântico.
As consequências de viagens mais rápidas que a luz no nosso nível de conhecimento sobre o espaço são difíceis de prever porque requerem nova física e experiências. Uma possível consequência seria a possibilidade de viagens no tempo e paradoxos lógicos relacionados à causalidade. Outra consequência pode ser a possibilidade de estudar estrelas e planetas distantes durante a vida de uma pessoa. Por exemplo, a estrela mais próxima fora do Sistema Solar, Proxima Centauri, está a cerca de 4,25 anos-luz de distância. Viajar à velocidade da luz levaria apenas 4 anos e 3 meses, e viajar mais rápido que a luz levaria ainda menos tempo.
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Onde os planetas desaparecem? O que está acontecendo com eles?
Os planetas perdidos são objetos hipotéticos do sistema solar, cuja existência não foi confirmada, mas foi feita com base em observações científicas. Hoje, existem suposições científicas sobre a possibilidade da existência de planetas desconhecidos que podem estar além do nosso conhecimento atual.
Um desses planetas hipotéticos é Phaeton, ou planeta de Olbers, que poderia ter existido entre as órbitas de Marte e Júpiter, e sua destruição teria resultado na formação de um cinturão de asteróides (incluindo o planeta anão Ceres). Esta hipótese é atualmente considerada improvável porque o cinturão de asteróides tem massa muito baixa para ter se originado da explosão de um grande planeta. Em 2018, pesquisadores da Universidade da Flórida descobriram que o cinturão de asteróides se formava a partir de fragmentos de pelo menos cinco a seis objetos do tamanho de um planeta, em vez de um único planeta.
Outro planeta hipotético é o Planeta V, que, segundo John Chambers e Jack Lisso, existiu entre Marte e o cinturão de asteróides. A suposição sobre a existência de tal planeta foi feita com base em simulações de computador. O Planeta V pode ter sido responsável pelo Grande Bombardeio ocorrido há cerca de 4 mil milhões de anos, que criou inúmeras crateras de impacto na Lua e noutros corpos do Sistema Solar.
Existem também várias hipóteses sobre planetas além de Netuno, como o Planeta Nove, o Planeta X, Tyche e outros, que tentam explicar a existência de aparentes anomalias nas órbitas de alguns objetos transnetunianos distantes. No entanto, nenhum destes planetas foi observado diretamente e a sua existência ainda é discutível. Embora os cientistas ainda estejam tentando estudar o espaço entre Marte e Júpiter, além de Netuno. Talvez mais tarde teremos novas hipóteses e descobertas.
Sempre foi importante para a humanidade saber as respostas sobre o cosmos, sobre a Terra e sobre si mesma. Mas até agora o nosso conhecimento é limitado, embora os cientistas não fiquem parados, tentando encontrar respostas, abrindo novos caminhos para o espaço sideral. Porque deve haver uma resposta para qualquer pergunta ou enigma. É assim que uma pessoa funciona, é assim que o Universo funciona.
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