Evidências termodinâmicas da evolução do Universo
1. A Física e o cotidiano
Os conceitos básicos da Termologia e, principalmente, da Termodinâmica são necessários para a montagem de um modelo completo do Universo e, inclusive, para despertar nossa sensibilidade para sua contínua evolução.
A ficha técnica do Universo, apresentada abaixo, caracteriza-o como um sistema de muitas partículas isolado em rápida expansão (termodinâmico e adiabático) que evoluiu de um estado muito condensado e quentíssimo para o atual, pouco denso e frio.
Ficha termodinâmica do Universo atual
Nome: Universo. Representa toda a matéria, espaço, tempo e energia que conhecemos e podemos medir.
Idade: 13,7 bilhões de anos com precisão de 0,2 bilhão de anos para mais ou para menos.
Dimensão: Raio da ordem de 1026m, considerando-o esférico.
Constituição básica: 75% de hidrogênio, 23% de hélio e 2% dos outros elementos como constituintes básicos das galáxias e estrelas. O restante do espaço é preenchido por radiação eletromagnética de várias frequências, havendo um fundo de micro–ondas (λ = 1,0mm) presente em todos os pontos: a radiação cósmica de fundo (RCF). A matéria é formada por partículas fundamentais (quarks e elétrons), assim como a radiação é constituída por pacotes discretos de energia chamados fótons. Essa fragmentação faz supor a existência de um processo explosivo na formação do Universo, chamado de big bang.
A matéria (m) e a energia radiante (E) são equivalentes de acordo com a expressão de Einstein (E = mc2) e tanto as partículas elementares como a radiação podem apresentar comportamento corpuscular ou ondulatório. Essa complementaridade e equivalência entre massa e energia sugere-lhes uma origem comum, a partir de um estado inicial concentrado.
Nas experiências de alta energia, ocorre o aparecimento de antimatéria, que em contato com a matéria produz um aniquilamento das duas, o qual gera fótons de altíssima energia.
Todos esses corpúsculos e grãos de energia caracterizam o Universo como um sistema de muitas partículas que, sendo tratado por uma estatística adequada, transforma-se num objeto da Termodinâmica Quântica.
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Os fótons e as partículas elementares podem apresentar caráter corpuscular ou ondulatório. Louis de Broglie associou a quantidade de movimento Q, típica da matéria, à onda de comprimento λ pela expressão Q =  . Essa dualidade impõe uma incerteza intrínseca nas medidas simultâneas da posição (x) e do momento Q das partículas elementares, criando flutuações quânticas em todo o Universo. |
Comportamento da energia térmica: O calor transfere-se espontaneamente dos corpos quentes para os frios e a desorganização das partículas aumenta (entropia crescente), representando o sentido da evolução do cosmo.
Temperatura: 2,7K com flutuações de 0,03 milionésimos de kelvin. Essa temperatura relaciona-se com a RCF. As suas flutuações remetem à existência das galáxias.
Densidade: 1 próton, 1 nêutron e 1 elétron por m3, além de 300 fótons e 100 neutrinos por cm3.
2. A Física e o mundo
Forças que estruturam nosso Universo
As forças que se manifestam em nosso Universo também aparecem de forma fragmentada como a matéria e a energia, reforçando a ideia do processo explosivo do big-bang. Quatro interações asseguram a arquitetura atual do cosmo:
| UM UNIVERSO, QUATRO FORÇAS |
| O Nobel de Física premia um grande passo na compreensão de uma das quatro interações possíveis na natureza; essas forças explicam todos os processos do mundo físico. |
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A força gravitacional assegura a coesão das galáxias e, em casos extremos, produz buracos negros, entretanto não é suficiente para promover a atração de toda a matéria do Universo. Este fato pode ser explicado pela expansão acelerada produzida pelo big bang, que afasta uma galáxia da outra.
Buraco negro é um corpo celeste ou uma região do espaço onde a concentração de massa é tão grande e o campo gravitacional é tão intenso que nada, nem mesmo a luz, consegue escapar de seu campo gravitacional.
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Como o buraco negro não emite luz, ele não pode ser visto, e sua presença só pode ser detectada pelo efeito gravitacional que provoca em suas redondezas, capaz até de desviar a trajetória da luz.
A imagem do big bang
A história do Universo inicia-se com temperaturas impressionantemente elevadas que se vão reduzindo com a expansão. Galáxias e outras estruturas complexas desenvolvem-se a partir de sementes microscópicas, flutuações quânticas que alcançaram dimensões cósmicas após um breve período de inflação.
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3. A Física e o laboratório
Mapa do Universo Em 1992, o satélite COBE elaborou um mapa em micro-ondas do céu no qual aparecia um brilho fraco. Esse brilho é a radiação cósmica de fundo, que passou a se propagar quando o Universo tinha a idade de 380 000 anos. Representa 3% do “chuvisco" visto na tela de uma TV não sintonizada. As zonas mais quentes mostram os lugares onde começaram a se formar, primeiro, os gases e, depois, as galáxias. Mapa em micro-ondas produzido pelo COBE. Satélite COBE (sigla do inglês Cosmic Backgound Explorer – Explorador de Fundo Cósmico) |
4. A Física e a evolução de seus conceitos
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Exercícios Propostos
1. (GAVE – MODELO ENEM) – Leia atentamente o texto seguinte:
Entre 10 e 20 bilhões de anos atrás, sucedeu o Big Bang, o acontecimento que deu origem ao nosso Universo. Toda a matéria e toda a energia que atualmente se encontram no Universo estavam concentradas, com densidade extremamente elevada (superior a 5 × 1016 kg m–3) – uma espécie de ovo cósmico, reminiscente dos mitos da criação de muitas culturas – talvez num ponto matemático, sem quaisquer dimensões. Nessa titânica explosão cósmica, o Universo iniciou uma expansão que nunca mais cessou. À medida que o espaço se estendia, a matéria e a energia do Universo expandiam-se com ele e resfriavam-se rapidamente. A radiação da bola de fogo cósmica que então, como agora, enchia o Universo, varria o espectro electromagnético, desde os raios gama e os raios X à luz ultravioleta, passando pelo arco-íris das cores do espectro visível, até as regiões de infravermelhos e das ondas de rádio.
O Universo estava cheio de radiação e de matéria, constituída inicialmente por hidrogênio e hélio, formados a partir das partículas elementares da densa bola de fogo primitiva. Dentro das galáxias nascentes, havia nuvens muito menores, que simultaneamente sofriam o colapso gravitacional; as temperaturas interiores tornavam-se muito elevadas, iniciavam-se reações termonucleares e apareceram as primeiras estrelas. As jovens estrelas quentes e maciças evoluíram rapidamente, gastando descuidadamente o seu capital de hidrogênio combustível, terminando em breve as suas vidas em brilhantes explosões – supernovas – e devolvendo as cinzas termonucleares – hélio, carbono, oxigênio e elementos mais pesados – ao gás interestelar, para subsequentes gerações de estrelas.
O afastamento das galáxias é uma prova da ocorrência do Big Bang, mas não é a única. Uma prova independente deriva da radiação de micro-ondas de fundo, detectada com absoluta uniformidade em todas as direções do Cosmos, com a intensidade que atualmente seria de esperar para a radiação, agora substancialmente resfriada, do Big Bang.
In: Carl Sagan, Cosmos. Gradiva, Lisboa, 2001 (adaptado)
De acordo com o texto, selecione a alternativa correta.
a) A densidade do Universo tem aumentado.
b) Os primeiros elementos que se formaram foram o hidrogênio e oxigênio.
c) O Universo foi muito mais frio no passado.
d) O volume do Universo tem diminuido.
e) São provas da ocorrência do Big Bang: a expansão do Universo e a detecção da radiação cósmica de fundo.
2.
| História da história do universo | ||
| 1 |  | Desde a época de Galileu, no séc. XVI, até o séc. XX, a maioria dos astrônomos acreditava que o Universo fosse estático. As estrelas seriam objetos parados no firmamento, e não se podia dizer que o Cosmo tinha sido criado em algum momento: ele teria sempre existido. |
| 2 |  | Na década de 1920, porém, o astrônomo Edwin Hubble descobriu que as galáxias estão afastando-se umas das outras. Isso significa que o Cosmo inteiro se expande e que no passado ele era muito mais concentrado. Uma explosão, o Big Bang, deu início a tudo. |
| 3 |  | Físicos chegaram a achar que em algum instante o “impulso" inicial do Big Bang perderia força. Refreado pela gravidade, o Universo pararia de crescer, gradualmente. No futuro, a gravidade puxaria a matéria de volta sobre si, provocando um “Big Crunch". |
| 4 |  | Em 1998, medidas precisas de explosões estrelares em galáxias distantes mostraram que, agora, a expansão ocorre de forma acelerada. Existe uma forma de energia que gera uma força que repele tudo e se contrapõe à gravidade em grandes distâncias. É a energia escura. |
Baseado no texto, analise as proposições que se seguem:
I) Edwin Hubble descobriu que o Universo está em expansão e confirmou a teoria do Big Bang.
II) A expansão do Universo está sendo freada e no futuro o Universo irá contrair-se, voltando ao ovo cósmico (Big Crunch).
III) A energia escura provoca uma força que se opõe à gravidade e faz com que a expansão do Universo seja acelerada.
IV) Toda energia e matéria que conhecemos até hoje corresponde a 74% de tudo que existe no Universo.
Estão corretas apenas:
a) I e III
b) I e II
c) III e IV
d) II e IV
e) I e IV
3. (MODELO ENEM) – O Sol emite energia à razão de 1026J/s. A energia irradiada pelo Sol provém da conversão de massa em energia, de acordo com a Equação de Einstein. Em cada segundo, a massa transformada em energia, no Sol, é um valor mais próximo de
a) zero
b) 1,1 . 109kg
c) 1,1 . 1010kg
d) 4,0 . 1026kg
e) 3,5 . 1043kg
| Note e adote Equação de Einstein: E = mc2 m: massa a ser transformada em energia c: módulo da velocidade da luz no vácuo (3,0 . 108m/s) |
4. (MODELO ENEM)
| Documento 1 |
O cômputo da idade da Terra Da criação até o Dilúvio _____________________ 1.656 anos Do Dilúvio até Abraão _______________________ 292 Do Nascimento de Abraão até Êxodo do Egito ___ 503 Do Êxodo até a Construção do Templo _________ 481 Do Templo ao Cativeiro ______________________ 414 Do Cativeiro até o Nascimento de Jesus Cristo __ 614 Do Nascimento de Jesus Cristo até hoje ________ 1.560 Idade da Terra _____________________________ 5.520 anos |
| Documento 2 |
| Avalia-se em cerca de quatro e meio bilhões de anos a idade da Terra, pela comparação entre a abundância relativa de diferentes isótopos de urânio com suas diferentes meias-vidas radiativas. |
Considerando-se os dois documentos, podemos afirmar que o pensamento que permite a datação da Terra é de natureza
a) científica no primeiro e mágica no segundo.
b) social no primeiro e política no segundo.
c) religiosa no primeiro e científica no segundo.
d) religiosa no primeiro e econômica no segundo.
e) matemática no primeiro e algébrica no segundo.
Gabarito
1. RESOLUÇÃO:
a) ( F ) A densidade do Universo está diminuindo em virtude de sua expansão.
b) ( F ) Os primeiros elementos que se formaram foram o hidrogênio e o hélio.
c) ( F ) O Universo está resfriando-se e foi muito mais quente no passado.
d) ( F ) O volume está aumentando.
e) ( V ) A expansão do Universo detectada pelo Efeito Doppler e a descoberta da radiação cósmica de fundo são evidências do Big Bang.
2. RESOLUÇÃO:
I) ( V ) Usando o Efeito Doppler para a luz das estrelas, Hubble verificou a expansão do Universo.
II) ( F ) As estrelas se afastam umas das outras com movimento acelerado.
III) ( V ) A energia escura foi usada para explicar a expansão acelerada do Universo, gerando uma força que vence a força gravitacional.
IV) ( F ) A matéria bariônica corresponde apenas a 4% do conteúdo do Universo.
Resposta: A
3. Resolução:
Equação de Einstein: E = mc2
Em 1s, temos E = 1026J
Sendo c = 3 . 108m/s, resulta: 1026 = m . 9 . 1016
⇒ m @ 1,1 . 109 Kg
Resposta: B
4. Resolução:
As referências bíblicas, no primeiro documento, e as alusões a “isótopos de urânio" e “meias-vidas radio ativas", no segundo, indiciam claramente o caráter religioso de um e a natureza científica do outro. Note-se a redação tautológica do enunciado: “…a natureza do pensamento… é de natureza…"
Resposta: C
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