Onde está o centro do Universo em expansão, segundo Einstein e a relatividade geral

Há cerca de um século, pesquisadores tentavam resolver o que parecia ser uma contradição dentro da teoria da relatividade geral de Albert Einstein.

Divulgada em 1915 e rapidamente adotada por físicos e matemáticos no mundo todo, a teoria partia da ideia de que o Universo era estático - sem mudanças, sem movimento, imutável. Em termos simples, Einstein acreditava que o tamanho e a forma do Universo de hoje eram, mais ou menos, os mesmos de sempre.

Só que, ao apontar telescópios potentes para galáxias muito distantes, astrónomos começaram a notar indícios de que a realidade não combinava com essa imagem. As observações sugeriam justamente o contrário: o Universo estaria a expandir.

Com o tempo, ficou claro que a teoria de Einstein não exigia um Universo parado; ela também permitia um Universo em expansão. Aliás, usando as mesmas ferramentas matemáticas oferecidas pela relatividade geral, cientistas desenvolveram modelos em que o Universo é dinâmico e muda ao longo do tempo.

Eu passei décadas a tentar compreender a relatividade geral - inclusive no meu trabalho atual, como professor de Física, ao lecionar disciplinas sobre o tema. Sei que a ideia de um Universo em expansão contínua pode parecer intimidante, em parte porque ela obriga a contrariar a intuição de como as coisas “deveriam” funcionar.

Por exemplo, é difícil imaginar algo tão vasto quanto o Universo sem ter qualquer centro, mas a Física indica que é assim mesmo.

Relatividade geral e o surgimento do Universo em expansão

Para começar, vale esclarecer o que se entende por “expansão”. No dia a dia, aqui na Terra, “expandir” quer dizer que algo está a aumentar de tamanho. No caso do Universo, isso é verdade - mais ou menos. Expansão também pode significar “tudo está a ficar mais longe de nós”, o que também se aplica ao Universo. Basta observar galáxias distantes: elas parecem afastar-se de nós.

E há outro detalhe: quanto mais longe a galáxia, maior parece ser a velocidade com que se afasta. Além disso, elas também parecem afastar-se umas das outras. Por isso, uma forma mais precisa de descrever o fenómeno é dizer que, no Universo, tudo se afasta de tudo ao mesmo tempo.

O espaço entre galáxias

Esse ponto é discreto, mas essencial. É fácil imaginar a criação do Universo como fogos de artifício: acontece um grande estrondo e, então, todas as galáxias “disparam” em todas as direções a partir de um centro.

Por que a comparação com fogos de artifício não funciona

O problema é que essa analogia está errada. Ela dá a entender, de maneira equivocada, que a expansão do Universo começou a partir de um único lugar - e não foi assim. E também sugere que as galáxias seriam, por si, as coisas que estão a mover-se, o que não é totalmente fiel ao que ocorre.

Não é tanto que as galáxias estejam a fugir umas das outras: o que está a aumentar é o espaço entre as galáxias - o próprio “tecido” do Universo - que se expande com o passar do tempo. Ou seja, não é exatamente que as galáxias estejam a viajar através do Universo; é mais correto dizer que o Universo, ao expandir, vai “carregando” as galáxias e aumentando as distâncias entre elas.

Uma analogia comum ajuda a visualizar: imagine alguns pontos marcados na superfície de um balão. Quando você enche o balão de ar, ele aumenta. Como os pontos estão colados na borracha, eles acabam por ficar mais distantes uns dos outros.

Embora pareça que os pontos se moveram, na verdade eles permanecem exatamente onde foram colocados; o que cresce é a distância entre eles, apenas porque o balão se expandiu.

Agora pense nos pontos como galáxias e na superfície do balão como o tecido do Universo, e a ideia começa a fazer sentido.

O balão: uma ajuda, com ressalvas

Infelizmente, apesar de ser um bom ponto de partida, essa comparação ainda não acerta todos os detalhes.

A 4ª dimensão

Para qualquer analogia funcionar, é preciso entender até onde ela vai - e onde ela falha. Algumas limitações são óbvias: um balão cabe na mão; o Universo, não. Outra limitação é mais sutil. O balão tem duas partes: a superfície de látex e o interior preenchido de ar.

Em Matemática, essas duas partes são descritas de maneiras diferentes. A superfície do balão é bidimensional. Se você estivesse a caminhar sobre ela, poderia ir para a frente, para trás, para a esquerda ou para a direita - mas não conseguiria ir “para cima” ou “para baixo” sem sair da superfície.

Pode parecer que mencionámos quatro direções - frente, trás, esquerda e direita -, mas isso corresponde a movimentos ao longo de apenas dois eixos básicos: de um lado para o outro e da frente para trás. É isso que faz a superfície ser bidimensional: comprimento e largura.

Já o interior do balão é tridimensional: nele, você poderia deslocar-se livremente em qualquer direção, inclusive “para cima” e “para baixo” - comprimento, largura e altura.

É aqui que nasce a confusão. Aquilo que costumamos pensar como o “centro” do balão fica em algum ponto do interior, no espaço cheio de ar que está por baixo da superfície.

Só que, nessa analogia, o Universo se parece mais com a superfície de látex do que com o interior. O espaço cheio de ar dentro do balão não tem equivalente no nosso Universo. Por isso, não dá para usar essa parte da imagem - apenas a “superfície” é relevante.

Assim, perguntar “Onde está o centro do Universo?” é algo como perguntar “Onde está o centro da superfície do balão?”. Não existe. Você poderia viajar pela superfície do balão em qualquer direção, durante o tempo que quisesse, e nunca chegaria a um lugar que pudesse chamar de centro - porque você nunca teria saído da superfície.

Da mesma forma, você poderia deslocar-se pelo Universo em qualquer direção e jamais encontraria um centro porque, como a superfície do balão, ele simplesmente não tem um.

Parte do motivo de isso ser tão difícil de compreender está na forma como o Universo é descrito em linguagem matemática. A superfície do balão tem duas dimensões, o interior tem três, mas o Universo existe em quatro dimensões. Isso porque não se trata apenas de como as coisas se movem no espaço, mas também de como elas se movem no tempo.

O nosso cérebro tende a separar espaço e tempo como coisas distintas. No entanto, no Universo, eles estão entrelaçados num único tecido, chamado "espaço-tempo". Essa unificação muda o funcionamento do Universo em relação ao que a nossa intuição espera.

E essa explicação ainda nem começa a responder como algo pode expandir indefinidamente - cientistas continuam a tentar entender o que alimenta essa expansão.

Portanto, ao perguntar sobre o centro do Universo, estamos a esbarrar nos limites da nossa intuição. E a resposta a que chegamos - tudo, a expandir por toda parte, ao mesmo tempo - oferece um vislumbre de quão estranho e belo é o nosso Universo.

Rob Coyne, Professor de Física (docente), University of Rhode Island

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.