Introduo

No mbito da disciplina de Fsico-Qumicas, foi-nos solicitada a execuo de um trabalho escrito, relativamente ao tema Arquitectura do Universo, dentro do qual nos foi dado o subtema A Teoria do Big Bang.Os assuntos a focar no trabalho seriam:- A Expanso do Universo;- O que diz a Teoria do Big Bang;- Os factos a favor desta teoria;- As suas limitaes;- Outras teorias que expliquem o nascimento do Universo.Para facilitar a leitura do trabalho, organizmo-lo pelos seguintes tpicos:- Teoria do Big Bang:- Teoria do Big Bang;- Teoria da Relatividade;- Lei de Hubble;- Nucleossntese;- Radiaes csmicas de fundo;- Limitaes da teoria do Big Bang e outras teorias.

Espero que goste do nosso trabalho!

Teoria do Big Bang

No incio do sculo XX, a Astronomia desviou a sua ateno das estrelas e dos planetas. Nos ltimos 80 anos, a Cosmologia voltou a sua ateno para as galxias e espeo exterior. Um dos muitos responsveis por esta mudana de perspectiva foi Edwin Hubble.O Big Bang, a teoria cientfica que diz que o Universo emergiu de um estado extremamente denso e quente h cerca de 15 mil milhes de anos. A teoria baseia-se em diversas observaes que indicam que o universo est em expanso de acordo com um modela Friedmann-Robertson-Walker, baseado na teoria da relatividade geral, dentro das quais a mais tradicional e importante a relao entre os redshifts e distncias entre objectos longnquos, conhecida como Lei de Hubble, e na aplicao do Principio Cosmolgico.

Fig. 1- Expanso do Universo

O Big Bang, ou grande exploso, tambm conhecido como modelo de grande exploso trmica, parte do princpio de Friedmann, onde, enquanto o Universo se expande, a radiao contida e a matria arrefecem.Em 1927, o padre cosmlogo belga Georges Lematre (1894-1966), derivou independentemente as equaes de Friedmann a partir das equaes de Einstein e props que os desvios espectrais, observados em nebulosas se deviam expanso do universo, que por sua vez seria o resultado da exploso de um tomo primordial.Segundo esta teoria, o universo surgiu h pelo menos 15 mil milhes de anos, a partir de um estado primordial de temperatura e desunidade altamente elevados. Embora essa explicao tenha sido proposta na dcada de 1920, a sua verso actual, da dcada de 1940 e deve-se ao grupo de George Gamow, que deduziu que o Universo teria surgido aps uma grande exploso resultante da compresso de energia.Segundo Gamow, na expanso do universo a partir do seu estado inicial de alta compresso, numa exploso repentina, o resultado foi uma violenta reduo de densidade e temperatura, aps este mpeto inicial, a matria passou a predominar sobre a antimatria.Ainda segundo Gamow, toda a matria existente hoje no universo encontrava-se concentrada no chamado tomo inicial ou ovo csmico, e que uma incalculvel quantidade de energia, depois de intensamente comprimida, repentinamente explodiu, formando posteriormente gases, estrelas e planetas.

Fig. 2 Teoria do Big Bang, desde a exploso at formao das galxias.

Num sentido mais preciso, o termo Big Bang designa a fase densa e quente pela qual passou o universo. Essa fase marcante de incio da expanso comparada a uma exploso foi assim chamada pela primeira vez, de maneira desdenhosa, pelo fsico ingls, Fred Hoyle proponente do modelo do universo Estacionrio.O termo Big Bang tambm afirmado como uma aproximao para designar aquilo que tambm se costuma chamar de Modelo Cosmolgico Padro. Este consiste, numa aplicao da Relatividade Geral ao universo como um todo. Isto feito, num primeiro momento, assumindo-se que o universo homogneo e isotrpico em larga escala. Num segundo momento, introduzem-se flutuaes de densidade no modelo e estuda-se a evoluo destas at s formaes de galxias.O Modelo Cosmolgico Padro extremamente bem testado experimentalmente e possibilitou a previso da radiao csmica de fundo e da razo entre as abundncias de hidrognio e hlio.O termo Big Bang tambm designa o momento inicial, no qual o factor da escala (que caracteriza como crescem as distncias com a expanso) tende a 0.

Teoria da Relatividade Geral

A Teoria da Relatividade geral universal no sentido de ser vlida mesmo nos casos em que os campos gravitacionais no so negligncias. Trata-se na verdade da teoria da gravidade, descrevendo a gravitao como a aco das massas nas propriedades do espao e do tempo, que afectam o movimento dos corpos e outras propriedades fsicas.Enquanto na teoria de Newton, o espao rgido, descrito pela geometria Euclidiana, na Relatividade Geral, o espao-tempo distorcido pela presena da matria que ele contm.Um ano depois de propor a teoria da relatividade geral, em 1917, Einstein publicou o seu artigo histrico sobre cosmologia, construindo um modelo directamente a um Universo esttico de raio finito, mesma dificuldade encontrada com a teoria de Newton, Einstein modificou as suas equaes, introduzindo a famosa constante cosmolgica, para obter um universo esttico, j que ele no tinha razes para crer que o universo se expandia ou contraa.As observaes mostram que o universo homogneo em escalas de 10 a 100 milhes de anos-luz e maiores. Para escalas menores, podemos ver estrelas, galxias e aglomerados de galxias, mas em larga escala os elementos de volume so homogneos. A hiptese de que o universo seja homogneo e isotrpico chamada de Principio Cosmolgico.

Os movimentos galcticos e a Lei de HubbleEdwin Hubble dedicou-se ao estudo das galxias, medindo as suas distncias, localizando a sua distribuio no espao e analisando os seus movimentos. Cada galxia distante afasta-se da Via Lctea numa velocidade proporcional distncia em que se encontra desta, quanto maior a distncia, maior a velocidade. Assim, os objectos conhecidos mais distantes da Terra so ncleos super brilhantes de galxias distantes ou quasares, que se encontram a 10.000 milhes de anos-luz.Aparentemente, o Universo est a expandir-se nossa volta, isto no deve ser afirmado como antropocentrismo, pois, todos os pontos do universo, esto a afastar-se relativamente uns aos outros.Fig. 3 Afastamento das galxias.A observao, feita em 1929, por Hubble, significa que, no incio do tempo-espao, a matria estaria de tal forma compacta que os objectos estariam muito mais prximos uns dos outros. Mais tarde, observou-se, que entre 10 a 20 mil milhes de anos atrs, toda a matria estava no mesmo lugar, portanto, a densidade do Universo seria infinita.

Nucleossntese

A nucleossntese foi a formao inicial dos primeiros ncleos atmicos elementares (Hidrognio, Hlio). Esta ocorreu porque a actuao da fora nuclear forte, acabou por atrair protes e neutres que se comprimiram em ncleos primitivos.Presume-se que a nucleossntese ocorreu 100 segundos aps o impulso inicial, e que esta foi seguida de um processo repentino de arrefecimento devido irradiao.A nucleossntese demorou cerca de 1 milho de anos, iniciando a era da formao atmica.Em funo da nucleossntese, a matria passou a dominar o universo primitivo, pois, a densidade de energia em matria, passou a ser maior do que a densidade em forma de radiao.Depois de 380 000anos, a temperatura era aproximadamente de 3000K, os electres combinaram-se com os ncleos, formando tomos neutros. Como no existem mais electres livres para espalhar os fotes, o Universo passa de opaco para transparente e, a partir de ento, a matria e a radiao evoluem independentemente.Esta radiao de 3000K, o que detectamos como radiao de fundo do universo. Somente milhes de anos depois que as galxias se comeam a formar.Os protes e neutres comeam a ficar ligados em ncleos quando o Universo tem 4 minutos, e a sua temperatura de 900 milhes K, formando hidrognio, deutrio (istopo do elemento hidrognio), e hlio.A abundncia dos elementos formados depende da densidade de protes e neutres. Se o nmero de protes e neutres for alto, mais frequentemente eles colidem e mais Hlio produzido. As abundncias de deutrio e Hlio decrescem quando aumenta a densidade porque estes nuclees so formados por uma sequncia de reaces incompleta. Dado o tempo suficiente, o deutrio e o Hlio transformam-se em Hlio . J o Ltio produzido por vrias reaces e, portanto, depende da densidade de forma mais complexa.A nucleossntese no Big Bang s formou os elementos leves: hidrognio, deutrio, hlio e ltio. Todos os elementos qumicos mais pesados foram produzidos mais tarde, no interior das estrelas.Fig. 4 Esquema da sequncia de acontecimentos que se supe ocorrido durante a evoluo do Universo.Instante 0/10 segundos: neste curto espao de tempo, chamado Tempo de Planck, no se aplicam as leis da Fsica que conhecemos.10 e 10 segundos: as foras gravtica, electromagntica, nuclear fraca e nuclear forte, comeam a diferenciar-se.10 /10 segundos: surgem os protes, devido ao arrefecimento do Universo e a consequente unio de quarks, que mais tarde iro juntar-se aos neutres e electres para formar a matria do Universo. O Universo ainda muito quente e opaco. A luz no consegue viajar atravs dele.10 /10 segundos: perto do tempo 10 segundos, surgem os electres.10 /10 anos: O Universo foi arrefecendo. Surgem o hidrognio, o deutrio e o hlio, em quantidades semelhantes s que temos hoje.10 /10 anos: a luz pode viajar pelo Universo sem chocar constantemente com uma grande quantidade de partculas. O Universo transparente. Os ncleos de hidrognio, deutrio e hlio originam tomos mais pesados: a chamada Era Atmica. A temperatura, agora mais baixa, favorece a sntese das primeiras estrelas.10 /Hoje: actuando sobre os gases estrelares, a gravidade contribui para a formao das primeiras estrelas. Estrelas, como o nosso Sol, nascem e morrem. A poeira csmica contm agora ncleos mais pesados e formam-se os planetas. Surgem os primeiros seres microscpicos e, finalmente, a vida inteligente.Radiao csmica de fundo

George Gamow, Ralph Alpher e Robert Herman, cientistas de Fsica Nuclear, elaboraram uma previso terica a existncia da radiao csmica de fundo cuja comprovao prtica veio apoiar a Teoria do Big Bang. De acordo com estes cientistas, logo aps o Big Bang, a temperatura do Universo seria extremamente elevada, mas, diminuiria progressivamente, com o passar do tempo.

Fig. 5 Radiao csmica de Fundo

Enquanto a temperatura estivesse acima de um certo valor, os electres teriam valores de energia muito elevados, pelo que no se juntariam aos protes e, portanto, no se formariam tomos.Estando livres, os electres podiam absorver fotes (partculas de energia radiantes), com qualquer valor de energia e, por isso, podiam absorver qualquer radiao. Assim, todo o Universo era opaco radiao, porque a absorvia.Quando a temperatura atingiu um valor de arrefecimento, os electres puderam ligar-se aos protes e a radiao esparsa no Universo passou a estar livre para se espalhar, pois j no era totalmente absorvida.Pode-se dizer que o universo passou a ser transparente radiao. O espectro desta radiao residual caracterstico da temperatura que se verificava no instante em que o Universo se tornou transparente radiao.Mas, medida que o Universo se expande, o comprimento de onda desta radiao fica deformado, pois a escala espacial do Universo aumenta.O principal efeito que se verifica na radiao que o seu comprimento de onda ser progressivamente maior (menor valor de energia). Naturalmente, a temperatura associada ao espectro da radiao de fundo seria mais baixa.Gamow, Alpher e Herman previram que essa radiao de fundo poderia ser observada na regio de microondas (radiaes que constituem o espectro electromagntico, que so caracterizadas pelo seu valor de energia) e apresentaria uma temperatura de 3K (aproximadamente -270C).

Fig. 6 Esquema da dilatao do comprimento de uma onda.

A radiao csmica de fundo foi observada, em 1964, e medida, em 1965, por Arno A. Penzias e Robert W. Wilson, confirmando a previso de Gamow e dos seus colegas. Com esta descoberta, a Teoria do Big Bang passou a ter mais apoiantes dentro comunidade cientfica.Os cientistas verificaram que esta radiao se distribua invariavelmente em todas as direces. Esta foi considerada uma evidncia importante de que a matria estaria distribuda de maneira homognea no momento do incio do Universo, e que a sua formao teria origem nessa poca primordial.

Limitaes da teoria do big bang e outras teorias

Limitaes da Teoria do Big BangA Teoria do Big Bang , entre as que explicam a origem do Universo, a que tem maior sustentao terica. A previso da proporo de Hlio em relao ao Hidrognio, um dos grandes factos que sustenta esta teoria, como podendo ser a mais credvel.Esta Teoria criticada por alguns cientistas, porque descreve o resultado de uma exploso, mas no descreve o que explodiu ou o que causou essa exploso. Ou seja, no explica porque ocorreu essa exploso nem o que havia antes dela.A Teoria no explica, igualmente, como algo criado do nada, nem se o Universo continuar em contnua expanso.Outra crtica apontada a de que a teoria no justifica a uniformidade do Universo que se assume ter ocorrido logo aps a expanso.Alguns cientistas referem que a expanso do Universo pode ser apenas um fenmeno localizado, existente apenas nos limites do Universo observvel ou ao alcance dos actuais telescpios e que e pode existir a possibilidade de no se observar esse fenmeno, em todo o Universo, quando surgirem novos telescpios com maior resoluo.Se assim for, a Teoria do Big Bang, perde os argumentos que lhe deu origem: a expanso do Universo.

Teoria da Expanso PermanenteDefende que o Universo expandir-se- para sempre, com as galxias a afastarem-se umas das outras. Observaes astronmicas sustentam esta Teoria.

Fig. 7 Teoria da Expanso Permanente

Teoria do Universo Oscilante ou PulstilSegundo esta teoria, verificar-se- um retardamento progressivo da expanso at sua situao extrema de se inverter o sentido do movimento das galxias, que passaro a aproximar-se. Iniciar-se-, ento, uma contraco do Universo, que culminar com um novo Big Bang, recomeando tudo de novo.

Fig. 8 Teoria do Universo Oscilante ou Pulstil

Conclus0

Com este trabalho aprendemos que a Teoria do Big Bang, a teoria cientfica que diz que o Universo emergiu de um estado extremamente denso e quente h cerca de 15 mil milhes de anos.Essa explicao foi proposta na dcada de 1920 mas, a sua verso actual, da dcada de 1940 e deve-se ao grupo de George Gamow, que deduziu que o Universo teria surgido aps uma grande exploso resultante da compresso de energia.Aprendemos tambm que o termo Big Bang tambm afirmado como uma aproximao para designar aquilo que tambm se costuma chamar de Modelo Cosmolgico Padro. Este consiste, numa aplicao da Relatividade Geral ao universo como um todo.A Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein diz-nos que a gravitao como a aco das massas nas propriedades do espao e do tempo, afecta o movimento dos corpos e outras propriedades fsicas.Edwin Hubble atravs das suas observaes do Universo, afirmou que cada galxia distante afasta-se da Via Lctea numa velocidade proporcional distncia em que se encontra desta, quanto maior a distncia, maior a velocidade e em, 1929, afirmou que no inicio da formao do Universo a matria estaria muito mais compacta num espao.A nucleossntese foi a formao inicial dos primeiros ncleos atmicos elementares aps 4 minutos da grande exploso, que ocorreu porque a actuao da fora nuclear forte, acabou por atrair protes e neutres que se comprimiram em ncleos primitivos.Em funo da nucleossntese, a matria passou a dominar o universo primitivo, pois, a densidade de energia em matria, passou a ser maior do que a densidade em forma de radiao, com a formao do Hidrognio, Hlio, Deutrio e Ltio.George Gamow, Ralph Alpher e Robert Herman, cientistas de Fsica Nuclear, elaboraram uma previso terica a existncia da radiao csmica de fundo cuja comprovao prtica veio apoiar a Teoria do Big Bang.Os cientistas verificaram que esta radiao se distribua invariavelmente em todas as direces. Esta foi considerada uma evidncia importante de que a matria estaria distribuda de maneira homognea no momento do incio do Universo, e que a sua formao teria origem nessa poca primordial.A previso da proporo de Hlio em relao ao Hidrognio, um dos grandes factos que sustenta esta teoria, como podendo ser a mais credvel.Esta Teoria criticada por alguns cientistas, porque descreve o resultado de uma exploso, mas no descreve o que explodiu ou o que causou essa exploso, no explica como algo formado do nada, nem a uniformidade do Universo que pode ter ocorrido aps a expanso.Para explicar a criao do Universo foram criadas igualmente outras teorias como a Teoria da Expanso Permanente e a Teoria do Universo Oscilante ou Pulstil, que so pouco credveis dentro do seio da comunidade cientfica.Conclumos assim, que a Teoria do Big Bang uma teoria muito fundada, mas que ainda necessita de algumas explicaes que podem ser fulcrais para a sua credibilidade.Gostmos de realizar este trabalho, encontrando certas dificuldades em conseguir informao sobre a radiao csmica de fundo.

Bibliografia

Bibliografia:- Ribeiro, Laila (2007). Fsica e Qumica 10/11 Ano Manual de Qumica 2007, Edies ASA, Portugal

- Medona, Lucinda Sandos; Dantas, Maria da Conceio; Ramalho, Marta Duarte. Qumica A Bloco 1 10/11 Ano Jogo de Partculas 2004, Texto Editora, Lda. Lisboa

- Hodges, Mary Jane et alii. - O Novo Atlas do Mundo 1990, Readers Digest.

Webgrafia:- http://pt.wikipedia.org/wiki/Big_Bang

- http://br.geocities.com/chemicalnet/bb_txt2.html

- http://cosmo.fis.fc.ul.pt/~crawford/contents_NP.htm

- http://www.lucalm.hpg.ig.com.br/mat_esp/big_bang/big_bang.htm

- http://astro.if.ufrgs.br/univ/

Reconhecer que a construo do conhecimento cientfico apresenta estreita relao com as condies sociais, polticas e econmicas. Identificar os avanos do conhecimento em Fsica no ritmo e na qualidade de vida do cidado.Reconhecer na anlise de um fenmeno fsico, a sua relao com outras reas do conhecimento, adquirindo uma viso mais articulada do fenmeno.Reconhecer que diferentes grandezas fsicas apresenta um significado especfico em cada cincia.