EINSTEIN E A GRAVIDADE REPULSIVA

Depois de dar os toques finais na relatividade geral em 1915, Einstein aplicou as suas novas equações para a gravidade aos mais diversos problemas. (…) No enfoque dado por Newton à gravidade, a força de atração entre dois objetos depende apenas de duas coisas: a sua massa e a distância entre eles. (…) Na relatividade geral, a situação é basicamente a mesma, salvo pelo fato de que as equações de Einstein mostram que o foco dado por Newton à massa era demasiado limitado. De acordo com a relatividade geral, (…) a energia e a pressão também são pertinentes. Esse é um ponto de grande importância. (…) Uma mola comprimida tem mais energia do que uma mola solta. É preciso usar energia para comprimir a mola, e a prova disso está em que a mola comprimida exerce pressão, o que faz com que o boneco [daqueles que pulam da caixa quando se levanta a tampa] salte. (…) De acordo com Einstein, qualquer energia adicional afeta a gravidade, o que resulta em um peso adicional. (…) Essa é a percepção que teria escapado a Newton.

(…) Einstein demonstrou matematicamente que a força gravitacional depende não apenas da massa, não apenas da energia (como o calor), mas também de quaisquer pressões que venham a ser exercidas. E este é o ponto essencial da física que temos de levar em conta para poder compreender a constante cosmológica. (…) Uma pressão que se exerce de dentro para fora, como a de uma mola comprimida, denomina-se pressão positiva. Como é natural, a pressão positiva contribui positivamente para a gravidade. Mas eis o ponto crítico: existem situações em que, ao contrário da massa e da energia total, a pressão em uma região pode ser negativa, no sentido de que a sua ação puxa para dentro em vez de empurrar para fora. Embora isso não chegue a parecer propriamente exótico, na verdade a pressão negativa pode resultar em algo extraordinário do ponto de vista da relatividade geral: enquanto a pressão positiva contribui para a gravidade atrativa normal, a pressão negativa contribui para a gravidade “negativa”, ou seja, para a gravidade repulsiva!

Com essa percepção estonteante, a relatividade geral einsteiniana abriu uma fenda na crença de mais de duzentos anos de que a gravidade é sempre uma força atrativa. (…) Quando a pressão se torna importante (nas condições normais, e com relação à matéria que nos é familiar, a contribuição da pressão para a gravidade é desprezível) e, em particular, quando ela é negativa (para a matéria conhecida, formada por prótons e elétrons, a pressão é sempre positiva, razão por que a constante cosmológica não pode ser composta por nada que nos seja familiar) ocorre uma contribuição para a gravidade que teria chocado Newton. Ela é repulsiva.

(…) A gravidade e a pressão são dois personagens correlatos mas diferentes nessa história. As pressões, ou melhor, as diferenças de pressão, podem exercer suas próprias forças não gravitacionais. Quando você mergulha, os seus tímpanos sentem a diferença de pressão entre a água, que os comprime de fora para dentro, e o ar, que os empurra de dentro para fora. Tudo isso é verdade. Mas o que estamos querendo dizer em matéria de pressão e gravidade é algo completamente diferente. De acordo com a relatividade geral, a pressão pode exercer indiretamente uma outra força – uma força gravitacional -, uma vez que ela contribui para o campo gravitacional. A pressão, assim como a massa e a energia, é fonte de gravidade.

(…)

A INFLAÇÃO E O PROBLEMA DO HORIZONTE

Um [dos problemas do Big-Bang] é o problema do horizonte, que se relaciona com a uniformidade da radiação cósmica de fundo em microondas. (…) A temperatura da radiação cósmica de fundo em microondas, que chega até nós a partir de qualquer direção do espaço, é, com fantástica precisão, virtualmente a mesma, qualquer que seja a sua procedência. (…) O problema está em explicar como o universo tornou-se tão uniforme. Como pode ser que regiões tão distantes do universo tenham temperaturas praticamente idênticas?

(…) Os cientistas definem o horizonte cósmico (ou simplesmente horizonte) de uma região como as áreas mais remotas do espaço que são suficientemente próximas daquela região que tenha sido possível [a comunicação] entre elas no tempo transcorrido desde o Big-Bang. O nome faz analogia com as coisas mais distantes que podemos observar da superfície da Terra a partir de qualquer ponto de vista específico. O problema do horizonte é, por conseguinte, o enigma, inerente às observações de que regiões cujos horizontes sempre estiveram separados – regiões que nunca puderam interagir, ou comunicar-se, ou exercer qualquer influência uma sobre as outras – tenham temperaturas praticamente idênticas.

O problema do horizonte não significa que a teoria-padrão do Big-Bang esteja errada, mas é verdade que ele clama por uma explicação. E a cosmologia inflacionária a dá.

Segundo a cosmologia inflacionária, houve um breve instante durante o qual a gravidade foi repulsiva, o que levou o espaço a expandir-se a um ritmo incrivelmente rápido. Durante essa parte do filme cosmológico você teria que retrocedê-lo menos do que a metade da sua extensão para alcançar a metade da distância entre duas regiões. (…) A separação cada vez mais rápida de duas regiões quaisquer do espaço durante a expansão inflacionária implica que para reduzir à metade a distância entre elas seria necessário retroceder o filme menos – muito menos – do que a metade do seu comprimento até o início. Quanto mais recuarmos no tempo, portanto, mais fácil se torna que duas regiões quaisquer do espaço possam exercer influência uma sobre a outra, porque, em termos proporcionais, há mais tempo para que elas se comuniquem entre si. (…) Nos momentos iniciais, o espaço se expande com lentidão suficiente para que se estabeleça uma temperatura uniforme por toda parte e, em seguida, em um intenso surto de expansão cada vez mais rápida, o universo compensa a lentidão inicial e dispersa com enorme velocidade as regiões que antes eram próximas.

Nota 16 do capítulo 10: Essa é a essência da maneira pela qual a cosmologia inflacionária resolve o problema do horizonte e, para evitar confusões, darei uma ilustração sobre um elemento-chave da solução. Você e uma amiga saem em um campo aberto, em uma noite de verão, e brincam de comunicar-se trocando sinais de lanterna. Por mais que vocês corram uma para longe da outra, sempre será possível intercambiar os sinais de luz. Por quê? Porque para que você não pudesse receber a luz que a sua amiga aponta na sua direção, ou para que ela não pudesse receber a luz que você aponta na direção dela, vocês teriam que afastar-se uma da outra a uma velocidade maior do que a da luz, e isso é impossível. Como é possível, então, que regiões do espaço podiam intercambiar sinais de luz no início da história do universo (e que, por isso, têm, por exemplo, a mesma temperatura) hoje se encontrem fora do campo de intercomunicação? O exemplo das lanternas deixa claro que essas regiões têm de ter se separado a velocidades maiores do que a da luz. E, com efeito, o impulso colossal da gravidade repulsiva durante a fase inflacionária realmente afastou todas as regiões do espaço uma das outras a uma velocidade muito maior do que a da luz. É preciso dizer novamente que isso não apresenta nenhuma contradição com a relatividade especial, uma vez que o limite da velocidade estabelecido pela luz refere-se ao movimento através do espaço e não ao movimento do próprio espaço que se dilata. Portanto, um aspecto novo e importante da cosmologia inflacionária é o de que ela envolve um curto período em que ocorreu uma expansão supraluminal do espaço.

Essa é a explicação da cosmologia inflacionária para a até então misteriosa uniformidade da radiação cósmica de fundo em microondas que permeia o espaço.

Brian Greene, em “O Tecido do Cosmo” (tradução de José Viegas Filho)