Porque o Universo em expansão não tem centro

Há cerca de um século, os cientistas tentavam resolver uma aparente contradição na teoria da relatividade geral de Albert Einstein.

Publicada em 1915 e já então amplamente aceite por físicos e matemáticos em todo o mundo, a teoria partia do pressuposto de que o Universo era estático - sem mudanças, sem movimento e imutável. Em poucas palavras, Einstein considerava que o tamanho e a forma do Universo de hoje eram, mais ou menos, os mesmos que sempre tinham sido.

Só que, quando os astrónomos apontaram telescópios potentes para galáxias muito distantes, encontraram indícios de que o Universo estava longe de ser assim. Essas novas observações pareciam sugerir precisamente o contrário: o Universo estaria a expandir-se.

Pouco depois, os cientistas perceberam que a teoria de Einstein não obrigava, afinal, o Universo a ser estático; também era compatível com um Universo em expansão. Aliás, recorrendo às mesmas ferramentas matemáticas disponibilizadas pela relatividade geral, foram desenvolvidos modelos que mostravam que o Universo é, de facto, dinâmico e está em evolução.

Passei décadas a tentar compreender a relatividade geral - incluindo no meu trabalho actual como professor de física, a leccionar disciplinas sobre o tema. Sei que a ideia de um Universo que se expande continuamente pode parecer difícil de assimilar - e parte do obstáculo é contrariar a nossa intuição sobre como as coisas “deveriam” funcionar.

Por exemplo, custa imaginar algo tão vasto como o Universo sem ter qualquer centro; mas é isso que a física nos diz.

O espaço entre galáxias

Antes de mais, vale a pena clarificar o que queremos dizer com “expansão”. Na Terra, “expandir” significa que algo aumenta de tamanho. E, aplicado ao Universo, isso é verdade… até certo ponto. A expansão também pode ser entendida como “tudo está a afastar-se de nós”, o que também é correcto no contexto do Universo. Se apontar um telescópio para galáxias distantes, elas parecem estar todas a afastar-se.

Além disso, quanto mais longe estão, maior é a velocidade aparente com que se afastam. E essas galáxias também parecem afastar-se umas das outras. Por isso, a descrição mais rigorosa é que, em todo o Universo, tudo se afasta de tudo ao mesmo tempo.

Porque a analogia dos fogo-de-artifício falha

Este ponto é subtil, mas decisivo. É tentador imaginar a origem do Universo como fogo-de-artifício: começa com um grande estrondo e, a partir daí, todas as galáxias “disparam” em todas as direcções a partir de um ponto central.

Mas essa comparação não está certa. Não só sugere, erradamente, que a expansão do Universo começou num único local - o que não aconteceu - como também dá a ideia de que são as galáxias que se movem, o que não é inteiramente preciso.

O que acontece não é tanto as galáxias afastarem-se umas das outras por se moverem no espaço; é o espaço entre as galáxias - o próprio tecido do Universo - que vai aumentando com o passar do tempo. Dito de outro modo: não é exactamente como se as galáxias estivessem a atravessar o Universo; é mais como se o Universo, ao expandir-se, as “transportasse” para mais longe.

Uma analogia muito usada é imaginar vários pontos desenhados na superfície de um balão. Ao encher o balão com ar, ele expande-se. Como os pontos estão “colados” à superfície, a distância entre eles aumenta.

Apesar de parecer que se deslocam, os pontos permanecem exactamente onde foram colocados; o que cresce é a separação entre eles, simplesmente porque o balão ficou maior.

Agora pense nesses pontos como galáxias e no balão como o tecido do Universo, e começa a formar-se a imagem.

Infelizmente, embora seja um bom ponto de partida, esta analogia também não acerta em todos os pormenores.

A 4.ª dimensão

Em qualquer analogia, é essencial perceber onde ela falha. Algumas limitações são evidentes: um balão cabe na mão - o Universo não. Outra falha é mais subtil. O balão tem duas “partes”: a superfície de látex e o interior cheio de ar.

Em matemática, estas duas partes são descritas de maneira diferente. A superfície do balão é bidimensional. Se estivesse a caminhar sobre ela, poderia avançar, recuar, ir para a esquerda ou para a direita - mas não conseguiria mover-se para cima ou para baixo sem sair da superfície.

À primeira vista, pode parecer que estamos a falar de quatro direcções - frente, trás, esquerda e direita - mas, na verdade, são apenas movimentos ao longo de dois eixos: de um lado para o outro e da frente para trás. É isso que torna a superfície bidimensional: comprimento e largura.

Já o interior do balão é tridimensional, pelo que aí poderia deslocar-se livremente em qualquer direcção, incluindo para cima e para baixo - comprimento, largura e altura.

É aqui que nasce a confusão. Aquilo a que chamamos “centro” do balão é um ponto situado algures no seu interior, no espaço cheio de ar por baixo da superfície.

Só que, nesta analogia, o Universo é mais parecido com a superfície de látex do balão. O interior cheio de ar não tem equivalente no nosso Universo; por isso, essa parte não serve - o que conta é apenas a superfície.

Assim, perguntar “Onde está o centro do Universo?” é um pouco como perguntar “Onde está o centro da superfície do balão?”. Simplesmente não existe. Poderia viajar sobre a superfície do balão em qualquer direcção, durante o tempo que quisesse, e nunca chegaria a um sítio que pudesse chamar centro - porque nunca sairia da superfície.

Da mesma forma, poderia deslocar-se em qualquer direcção no Universo e nunca encontraria um centro porque, tal como a superfície do balão, o Universo não tem um.

Parte da dificuldade em compreender isto vem da forma como o Universo é descrito matematicamente. A superfície do balão tem duas dimensões e o seu interior tem três, mas o Universo existe em quatro dimensões. E isso acontece porque não se trata apenas de como as coisas se movem no espaço, mas também de como se movem no tempo.

O nosso cérebro está preparado para pensar em espaço e tempo como coisas separadas. No entanto, no Universo, ambos estão entrelaçados num único tecido, chamado “espaço-tempo”. Essa unificação altera o funcionamento do Universo em relação ao que a nossa intuição tende a esperar.

E esta explicação nem sequer começa a responder a outra questão: como é que algo pode expandir-se indefinidamente? Os cientistas continuam a tentar perceber o que alimenta esta expansão.

Ao perguntar pelo centro do Universo, estamos a esbarrar nos limites da nossa intuição. E a resposta - tudo a expandir-se em todo o lado, ao mesmo tempo - mostra até que ponto o Universo pode ser estranho e belo.

Rob Coyne, Professor de Ensino de Física, Universidade de Rhode Island

Este artigo foi republicado a partir de The Conversation ao abrigo de uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.