O Universo: Desvio Para o Vermelho

Algumas galáxias parecem mais vermelhas do que os astrônomos esperar­iam. A partir disso, eles deduzem que essas galáxias avermelhadas devem estar se afastando de nós a enormes velocidades e que, portanto, o uni­verso deve estar se expandindo rapidamente. Mas as evidências observ­adas poderiam apoiar uma explicação diferente? [English] [PDF]

Uma visão de campo profundo de objetos cósmicos cuja luz emitida pode ser vista como deslocada para o vermelho. Seguindo o advento dos poderosos telescópios astronômicos, os observadores poderiam ver os objetos muito mais longe no espaço do que antes era possível. Esses objetos recém-vistos pareciam mais vermelhos do que estrelas e galáxias mais próximas, conhecidas há mil­ênios. A princípio, parecia que as cores mais azuis estavam sendo filtradas, mais do que as mais avermelhadas, pela maior quantidade de meio interestelar através do qual a luz desses novos objetos mais distantes tinha que passar. Mas não foi assim tão simples. Isso ocorre porque as linhas de emissão e absorção atôm­ica dentro da luz desses novos objetos mais distantes também foram deslocadas para a ex­tremidade mais vermelha do espectro visível. O comprimento de onda da luz recebida deve, portanto, necessariamente ter-se tornado maior do que quando saiu de sua fonte.

Esse aparente avermelhamento de luz recebido de objetos distantes passou a ser conhecido como desvio para o vermelho. Isto significa que, quando a luz que eles emitem nos alcança, ela sofre um avermelhamento de sua cor, o que significa um aumento no seu comprimento de onda, o que corresponde a uma redução em sua freqüência. O que poderia estar causando esse desvio para o vermelho? Antes que eu possa explicar a minha resposta a esta pergunta, é necessário primeiro olhar um pouco mais para a minha visão bastante não convencional do espaço e do tempo.

O Horizonte de Eventos do Observador

Uma representação tridimensional do meu horizonte de eventos de 4 dimensões. Representado dentro da visão da ciência do es­p­aço-tempo de 4 dimensões, todos os eventos, cuja influência pode me afetar, no momento que chamamos agora, devem estar na super­fície infinitamente fina do cone vermelho infin­ito mostrado no diagrama adjacente. Tal evento é indicado pela figura (1). Um evento dentro do cone (2) aconteceu muito perto de mim para eu ser afetado por ele agora. Sua influência passou pela minha posição atual em algum momento no passado e atualmente está viaj­ando para longe de mim. Eu posso ter sido afe­tado por ela no passado, desde que sua influ­ência tenha passado pela minha localização depois que nasci. Um evento fora do cone (3) aconteceu muito longe de mim por sua influ­ência ter atingido minha localização atual. Eu poderia ser afetado por ela no futuro, se ainda estiver vivo quando o seu efeito chegar a mim.

O universo que vejo compreende eventos que ocorreram dentro da fatia de esp­aço-tempo representado pela superficie do cone. Essa fatia de espaço-tempo é chamado de meu horizonte de eventos. Enquanto meu momento de agora avança através do tempo, o cone está arrastado com ele. Assim, em um momento δt além de agora, o meu universo visível compreenderá uma fatia diferente do espaço-tempo represent­ada por um cone idêntico, cujo ápice está δt mais longe dentro do meu futuro. É fácil imaginar uma série de cones finos sucessivos, cujos ápices estão separados por periodos δt na direção do futuro.

O diagrama convencional acima, de um horizonte de eventos, reduz o espaço tri­dimensional para um plano bidimensional, deixando a terceira dimensão do espaço para representar o tempo, que se presume ser unidimensional. Assim, o que é con­vencionalmente considerado como o horizonte do evento "agora" é representado pela superfície de um cone infinito. Esta representação tridimensional é então proj­etada perspectivamente, na forma bidimensional, em uma folha de papel ou tela de computador.

Eu não gosto dessa representação. O espaço tem 3 dimensões e, conceitualmente, não pode ser representado corretamente por um plano bidimensional. Além disso, tempo é, como o espaço, uma quantidade vetorial. Relacionado ao espaço por uma simples constante de proporcionalidade, 'c', [a velocidade da luz], o tempo tem igual jurisdição com o espaço em todos as três dimensões.

Uma Representação Mais Realista

É por isso que prefiro representar a noção tradicional do horizonte de eventos rel­ativísticos de forma mais pragmática. Ou seja, com espaço tridimensional repres­entado pelo espaço tridimensional, conforme mostrado nos diagramas a seguir.

Uma representação esférica do meu horizonte de eventos em um momento arbitrário chamado 'agora', onde 3 eventos ocorrem simultaneamente a diferentes distâncias de mim. O diagrama à direita mostra a situação em um instante arbitrário chamado "agora". Os eventos E1, E2 e E3 ocorrem simultanea­mente no tempo, mas a diferentes distâ­ncias de mim. O afluxo radial do éter traz informações de cada um desses três even­tos radialmente em direção a mim na velo­cidade da luz. Não vejo nenhuma evidência neste momento que o evento E1 ocurreu. Isso é porque o evento E1 ocorreu muito perto de mim. Assim, todas as informações sobre sua ocorrência terão passado do ponto em que estou "agora" em algum mo­mento no meu passado. Eu posso ter visto isso no meu passado, assumindo que ele passou por mim depois que eu nasci. Mas eu não posso ver isso agora, nem jamais verei isso no meu futuro.

No entanto, "agora" eu estou vendo a ocorrência do evento E2. Isso é porque o evento E2 ocorreu em um instante no meu passado suficientemente distante para que as informações sobre ele tivessem tempo suficiente para chegar ao ponto em que eu estou "agora". A distância d de mim, na qual o evento E2 ocorreu, é o período de tempo atrás t quando ocorreu multiplicado por a velocidade da luz c. Em outras palavras, d = t × c.

Não vejo nenhuma evidência neste momento que o evento E3 ocurreu. Isso é porque o evento E3 ocorreu muito longe de mim. Portanto, todas as informações sobre sua ocorrência ainda não atingiram o ponto em que eu estou "agora". Eu posso ser capaz de ver isso no meu futuro, supondo que ele passe por mim antes de eu morrer. Mas eu não posso ver isso "agora", nem nunca vi isso no meu pass­ado.

Uma representação esférica do meu horizonte de eventos em um momento arbitrário chamado 'agora', onde três eventos ocorrem equidistantemente de mim em momentos diferentes. O diagrama à esquerda mostra novamente a situação em um instante arbitrário cham­ado "agora". Aqui, no entanto, os eventos E1, E2 e E3 ocorrem em lugares que são igualmente distantes de mim, mas em mo­mentos diferentes. O afluxo radial do éter traz informações de cada um desses três eventos radialmente em direção a mim na velocidade da luz. Não vejo nenhuma evidê­ncia neste momento que o evento E1 ocur­reu. Isso é porque o evento E1 ocorreu tarde demais [muito perto de mim no tem­po]. Assim, todas as informações sobre sua ocorrência terão passado do ponto em que eu estou "agora" em algum momento do meu passado. Eu posso ter visto isso no meu passado meu, assumindo que passou por mim depois que eu nasci. Mas eu não posso ver isso "agora", nem jamais verei isso no meu futuro.

No entanto, agora eu estou vendo a ocorrência do evento E2. Isso é porque o evento E2 ocorreu em um instante no meu passado suficientemente distante para que as informações sobre ele tivessem tempo suficiente para chegar ao ponto em que eu estou agora. A distância d de mim, na qual o evento E2 ocorreu, é o período de tempo atrás t quando ocorreu multiplicado por a velocidade da luz c. Em outras palavras, d = t × c. O mesmo de antes.

Não vejo nenhuma evidência neste momento que o evento E3 ocurreu. Isso é por­que o evento E3 ocorreu cedo demais [muito longe do meu "agora"]. Portanto, todas as informações sobre sua ocorrência ainda não atingiram o ponto em que eu estou "agora". Eu posso ser capaz de ver isso no meu futuro, supondo que ele passe por mim antes de eu morrer. Mas eu não posso ver isso agora, nem nunca vi isso no meu passado.

Uma representação esférica do meu horizonte de eventos em um momento arbitrário chamado 'agora', onde 3 eventos ocorrem a distâncias diferentes de mim em momentos diferentes, de modo a parecer simultâneo. O universo que vejo "agora" é ilustrado no diagrama à direita. A condição de que um evento seja incluído dentro do meu horiz­onte de eventos é que a informação sobre isso evento é ao ponto de chegar ao lugar onde eu estou agora. Tais eventos não pre­cisam ser simultâneos do meu ponto de vista, nem precisam ser equidistantes de mim. Cada um deles precisa simplesmente preencher a condição: r = c × t, viz:

r1 = c × t1     r2 = c × t2     r3 = c × t3

onde eventos E1, E2 e E3 ocurrem, respetiv­amente, períodos de tempo t1, t2 e t3 no meu passado; ou seja, ates do meu "agora".

Assim, meu horizonte de eventos nos diagramas acima é a superfície de uma esfera, centrada em mim, cujo raio demarca a distância máxima de mim que um evento, que preenche a condição r = c × t, pode ocorrer para que ele faça parte do meu "agora"-universo.

A Escala do Meu Horizonte de Eventos

Olhando para o universo, meu "agora" horizonte de eventos parece, na maioria das vezes, estar cheio de galáxias, que tendem a se agrupar em aglomerados. No entanto, em direção à extremidade do meu horizonte de eventos - a uma distância de cerca de 11 bilhões de anos-luz - há uma concha de espaço, com cerca de 3 bilhões de anos-luz de espessura, que parece ser povoada por objetos chamados quasares. Quasars do not seem to be stars or galaxies. Os quasares não parecem ser estrelas ou galáxias. Eles produzem enorme poder que tem a característica de distribuição padrão da radiação síncrotronica.

Além dos quasares, a característica que parece ser a mais distante de mim no meu "agora" horizonte de eventos é um fenômeno conhecido como Fundo Cósmico de Microondas. O Fundo Cósmico de Microondas, portanto, marca a extensão máxima [ou raio] do meu "agora" horizonte de eventos. Sua fonte é atualmente estimada em 13,822 bilhões de anos-luz de distância.

Diagrama para dar uma noção de escala ao meu horizonte de eventos. No diagrama à esquerda, a pequena esfera azul central representa o limite no qual as distâncias estelares podem ser determin­adas geometricamente com uma precisão de ±10%. Seu raio é de cerca de 4 milí­metros na tela do meu computador. Nesta mesma escala, o círculo marrom, que repr­esenta a fonte do Fundo Cósmico de Micro­ondas, deveria realmente ter um raio de 110 quilômetros. Em outras palavras, quase 28 milhões de vezes a distância máxima em que é possível medir as distâncias estel­ares com precisão por paralaxe. Pode ser seguro assumir que, o que parece ser ost­ensivamente linear em toda a sua gama de mensurabilidade, permanecerá assim qua­ndo extrapolado para 28 milhões de vezes esse intervalo?

Pessoalmente, penso que é uma suposição muito insegura. Parece-me uma tenta­tiva vã de resgatar uma hipótese insustentável. Relacionamentos na natureza rara­mente são lineares. As leis da física estão repletas de não-linearidade, por mais pequenas que possam parecer em intervalos limitados. Então, é seguro assumir que a correlação linear aparente entre a distância cósmica e o desvio para o ver­melho permanece linear quando é extrapolada quase 28 milhões de vezes além do limite da medição precisa da distância geométrica? Eu penso que não.

Ilustração dando uma noção de onde estamos na galáxia da Via Láctea. Para ter uma noção de escala aqui, vamos considerar nossa própria galáxia local, a Via Láctea. Estamos dentro da Via Láctea, loc­alizada aproximadamente onde o círculo vermelho é mostrado à direita. O diâmetro da nossa galáxia é estimado em 100 a 180 mil anos-luz. Vamos supor que tenha um raio de 70.000 anos-luz. O alcance máximo a que podemos medir a distância de um objeto com precisão por paralaxe geomé­trica é de cerca de 500 anos-luz. Podemos, portanto, estimar apenas a distância de um objeto estelar com precisão de até 500 ÷ 70.000 ≅ 0,007 do raio de nossa própria galáxia. Isso está tão longe quanto o raio do ponto branco dentro do círculo vermel­ho mostrado na ilustração.

Não obstante, para medir as distâncias estelares por paralaxe, é necessário ter uma distância de base padrão que seja conhecida com precisão por outros meios. A distância base usada é o raio da órbita da Terra ao redor do sol. Isso é conhecido como a Unidade Astronômica. Isto foi determinado historicamente usando dois obs­ervatórios separados por uma distância conhecida no solo. Esta distância conhecida deve ser tão grande quanto possível, de preferência o diâmetro total da Terra. Este método sofre de erro amplificado porque a distância da base é tão pequena em comparação com a distância a ser medida. Atualmente, o radar é usado para medir distâncias dentro do Sistema Solar. No entanto, isso também sofre, embora em menor escala, do erro amplificado de extrapolação. No entanto, esta linha de base para medir a distância por paralaxe é uma extrapolação e, portanto, de preci­são limitada.

Mas mesmo com essa linha de base, só é possível fazer qualquer sentido de distân­cias estelares tão distantes quanto a borda externa do ponto branco dentro do cír­culo vermelho na ilustração acima. Para medir distâncias na escala da galáxia Via Láctea e além, é necessário elaborar uma escada de métodos adicionais, que pod­em ser novamente apenas extrapolações baseadas no método da paralaxe. Esses métodos determinam a distância como uma função do brilho de vários tipos de objetos cósmicos, como estrelas flutuantes, supernovas, aglomerados globulares e galáxias. Mas, mesmo em teoria, esses métodos estão sujeitos a imprecisões de 25% a 40%. Mas isso pressupõe que o meio interestelar através do qual a luz des­ses objetos viaja não atenua ou dispersa sua luz de qualquer maneira até então desconhecida. Consequentemente, a medida da distância nas escalas cósmicas é, no mínimo, extremamente tênue.

No entanto, esses são os únicos meios disponíveis para determinar qualquer correl­ação direta entre o desvio para o vermelho e a distância. Não obstante, a correl­ação entre a distância e o desvio para o vermelho de um objeto luminoso é assu­mida como estabelecida. Como?

O Axioma Principal

Para responder a isso, preciso percorrer todo o caminho de volta ao ato de fé, que é o alicerce sobre o qual toda a física é construída. É conhecido como o Axioma Principal. É a suposição cega de que as verdadeiras Leis da Física são exatamente as mesmas em todos os lugares em todos os momentos. Em outras palavras, elas são imutáveis: serem independentes do espaço e do tempo.

O Axioma Principal me força a concluir que os átomos dentro dos objetos quasi-estelares distantes na extremidade do meu vasto horizonte de eventos se com­portam exatamente da mesma maneira - obedecem exatamente às mesmas leis - como os átomos em qualquer laboratório de física aqui em Terra. Além disso, impl­ica que todas as constantes físicas universais conhecidas têm exatamente os mes­mos valores que aqui.

Uma representação dinâmico-complexa de um átomo como absorvedor-emissor de linha de espectro biestável. Aqui na Terra, um átomo de um tipo particular [digamos, o hidrogênio], quando provocado de alguma forma, absorve (1) uma quantidade naturalmente determinada de energia eletro­magnética de um comprimento de onda estr­eito. Isso sacode o átomo (2) até um dos seus estados ALTOs de energia. Esse comprimento de onda estreito, no qual o átomo absorve essa energia eletromagnética, é chamado de linha de absorção.

Após o que parece ser uma quantidade aleatória de tempo (3), o átomo retorna espontaneamente ao seu estado de energia BAIXO anterior, liberando uma quant­idade naturalmente determinada de energia eletromagnética (4), que é de um comprimento de onda mais longo naturalmente determinado. Esse comprimento de onda estreito, no qual o átomo emite de novo essa energia eletromagnética, é chamado de linha de emissão.

As linhas de absorção e emissão de um tipo particular de átomo são referidas colet­ivamente como suas linhas espectrais.

Os tempos e comprimentos de onda neste processo são determinados pela natur­eza do átomo de hidrogênio. Consequentemente, eles são os mesmos para todos os átomos de hidrogênio onde quer que estejam. Eles são os mesmos para um átomo de hidrogênio em um laboratório terrestre como são para um átomo de hidrogênio no meio de um objeto quasi-estelar na extremidade do meu horizonte de eventos.

O átomo de hidrogênio tem muitas linhas espectrais diferentes. Estes ocorrem em uma grande proporção do espectro eletromagnético da ultravioleta até a linha de rádio do hidrogênio com um comprimento de onda de 21 cm, o que corresponde à freqüência de 1420 MHz.

Espaçamento relativo das linhas de emissão de hidrogênio, que se enquadram no espectro visível. As linhas de emissão de hidrogênio que caem den­tro do espectro visível são mostradas à direita. Seus espaçamentos relativos são uma assinatura única mostrando que o hidrogênio está presente em uma fonte de luz.

Se o Axioma Principal for verdadeiro, então podemos seguramente assumir que os espaçamentos relativos dessas linhas e suas posições absolutas dentro do espectro eletromagnético devem ser os mesmos para um átomo de hidrogênio em um obj­eto quasi-estelar distante, como são para um átomo de hidrogênio em um labora­tório terrestre.

Não o Que é Observado

Mas não é assim que aparece quando observamos objetos distantes através de um telescópio astronômico. Objetos distantes aparecem mais vermelhos do que seria esperado. No entanto, isso não pode confirmar nem negar que a luz proveniente do objeto distante tenha, em si, se tornado mais vermelha. Afinal, como podemos saber que a cor mudou? Por que a cor original da galáxia simplesmente não dev­eria ser a cor que a vemos?

Ilustração de como a atenuação de linhas espectrais, causada por material interstella, possivelmente aumenta com a frequência. Ou talvez o meio interestelar, através do qual a luz passou, atenua ou dispersa os comprimentos de onda mais curtos [azuis] muito mais do que os comprimentos de onda mais longos [vermelhos] (veja a ilustração).

Não obstante, vemos também que a posição absoluta do padrão característico das linhas espectrais de um átomo foi deslocada para a extremidade mais vermelha do espectro eletromagnético. O comprimento de onda de cada linha se tornou signific­ativamente mais longo. Portanto, tanto a frequência como a energia diminuíram. Consequentemente, o desvio para o vermelho não pode ser explicado como atenu­ação ou dispersão causada pelo meio interestelar porque isso apenas reduziria as amplitudes das cores mais azuis em relação às cores mais avermelhadas. Não mudaria os comprimentos de onda ou freqüências das linhas espectrais.

O diagrama a seguir ilustra o desvio para o vermelho para as linhas de emissão de hidrogênio. O padrão superior é obtido pela passagem de luz de uma lâmpada de descarga de hidrogênio de laboratório para a metade superior do prisma de um espectrômetro. O padrão mais baixo é obtido pela passagem de luz de um tele­scópio astronômico treinado em um objeto cósmico distante para a metade inferior do mesmo prisma do espectrômetro.

Uma ilustração espectrográfica do desvio para o vermelho.

Outros tipos de átomos, como o magnésio e o cálcio, fornecem padrões de carac­terísticos diferentes. Estes também são usados para medir o desvio para o verm­elho.

O desvio para o vermelho é expresso como a relação, z, entre o desvio para o vermelho no comprimento de onda, Δλ [o comprimento de onda observado, λobs, menos o comprimento de onda de referência, λref] dividido pelo comprimento de onda de referência, λref.

z = λobs - λref
λref
= Δλ
λref

Apesar da precariedade dos métodos de medir a distância, a relação entre a distância do objeto e seu desvio para o vermelho parece ter uma relação linear onde 0 < z < 0,1. Para valores de z > 0,1, a relação converge ou diverge, de acordo com a qual uma das teorias atualmente aceitas é aplicada. Os desvios para o ver­melho para as galáxias e quasares mais distantes conhecidos [de 11 a 12,9 bilhões de anos-luz] estão entre 7 e 8½. O maior desvio para o vermelho conhecido de 1100 é o do Fundo Cósmico de Microondas, a uma distância de 13,82 bilhões de anos-luz. A partir dessas figuras, fica claro que, nos limites externos do nosso horiz­onte de eventos, a relação entre o desvio para o vermelho e a suposta distância é extremamente não-linear.

A Causa do Desvio Para o Vermelho

Pelo exposto, poderíamos deduzir razoavelmente que o desvio para o vermelho é simplesmente causado pela distância: a quantidade de espaço [ou meio inter­estelar] através do qual a luz passou, por mais não linear que a relação possa parecer estar na extremidade do nosso universo observável. Mas esta não é a crença dominante.

O fenômeno mais conhecido, que causa uma mudança no comprimento de onda [e, portanto, na freqüência] de uma onda eletromagnética durante sua jornada de sua fonte para um observador, é o efeito Doppler. O efeito Doppler é aparente quando o observador e a fonte estão se aproximando ou recuando um do outro. Quando eles se aproximam, o comprimento de onda da radiação eletromagnética recebida pelo observador é menor que o comprimento de onda da radiação eletro­magnética emitida pela fonte. Quando estão recuando um do outro, o compri­mento de onda da radiação eletromagnética recebida pelo observador é maior. Um aumento no comprimento de onda corresponde a uma diminuição na frequência e vice-versa.

O efeito Doppler também ocorre com outros tipos de ondas, como as ondas sonoras. No entanto, o mecanismo é um pouco diferente porque pode envolver o movimento do meio através do qual as ondas viajam, o que não se aplica à radiação eletromagnética.

Porque parece se encaixar nas observações, acredita-se que o efeito Doppler seja a causa do desvio para o vermelho na luz que chega de galáxias e quasares dist­antes. Isso implica que esses objetos distantes devem estar se afastando de nós em velocidades muito altas. Isso implica que o universo está se expandindo ou, mais corretamente, que os objetos dentro dele estão se dispersando: afastando-se um do outro. Assim, a velocidade com que uma galáxia recua é uma função positiva de sua distância do observador.

Para radiação eletromagnética, a velocidade com que um objeto luminoso está se afastando de um observador é dada pela fórmula: v = c × Δf ÷ f, onde c é a velocidade da onda, Δf é o desvio para o vermelho na frequência de uma linha de referência dentro do padrão de espectro que o observador vê em seu telescópio e f é a frequência da mesma linha de referência originalmente emitida pelo objeto luminoso, que é assumido como sendo o mesmo que o produzido por uma lâmpada local de descarga de hidrogênio no laboratório.

Ao usar um espectrômetro, é mais conveniente trabalhar com o comprimento de onda do que com a frequência. Nesse caso, a velocidade com que um objeto lum­inoso está se afastando de um observador é dada pela fórmula: v = c × Δλ ÷ λ, onde c é a velocidade da onda, Δλ é o desvio para o vermelho no comprimento de onda de uma linha de referência dentro do padrão de espectro que o observador vê em seu telescópio e λ é o comprimento de onda da mesma linha de referência, novamente, como visto pelo observador em seu telescópio.

Usando a escada precária da medição da distância cósmica, os astrônomos calcu­lam que os objetos estão se afastando de nós a uma velocidade, v, que é propor­cional à sua distância d de nós. Assim, v = H × d, onde H é a constante de proporcion­alidade necessária, conhecida como constante de Hubble. Cálculos atu­ais colocam o valor de H entre 15 e 30 km/s por milhão de anos-luz de distância. A recíproca da constante de Hubble é, portanto, a idade do universo, que é entre 10 e 20 bilhões de anos.

Não obstante, a ideia do efeito Doppler ser a causa do desvio para o vermelho é problemática. Isso é porque os desvios para o vermelho observados de algumas galáxias colocam suas velocidades de recuar em cerca de 2½ vezes a da luz. Se isso fosse verdade, a luz dessas galáxias não poderia nos alcançar. Nós não poderíamos vê-los. Eles estariam bem e verdadeiramente fora do nosso horizonte de eventos. Mas nós os vemos. Consequentemente, eles devem estar dentro do nosso horizonte de eventos atual.

Espaço-Tempo em Expansão

No melhor de meu entendimento, os cosmologistas acreditam que o desvio para o vermelho na luz proveniente de objetos cosmológicos distantes é de fato um resultado do efeito Doppler. Mas eles também acreditam que a velocidade da luz, c, é constante em todo o universo, e que nada pode viajar mais rápido que isso. No entanto, a quantidade de desvio para o vermelho observada, quando interpretada como um efeito Doppler, corresponde a uma taxa de recuar de (2½)c para esses objetos cosmológicos mais distantes e 3,2c para a superfície esférica de origem do Fundo Cósmico de Microondas.

Para superar esse aparente paradoxo, os cosmólogos postulam que essas galáxias muito distantes não estão realmente viajando para longe de nós mais rápido que a luz, mas que o desvio para o vermelho observado se deve ao fato fantasioso de que o espaço entre eles e nós é em um estado de expansão contínuo. Assim, à medida que a luz viaja de sua origem para o observador, ela se propaga através do espaço em contínua expansão. A consequência é que, ao viajar, suas ondas se tornam cada vez mais alongadas: elas se tornam mais longas. Quando chegam ao obser­vador, as ondas que correspondem à luz amarela quando deixam sua fonte se tornam vermelhas: elas mudam para a extremidade mais vermelha do espectro.

Eu acho que é universalmente auto-evidente que o espaço-tempo não é nada. Tem atributos fundamentais reais e mensuráveis. Por exemplo, ele tem uma permiss­ividade elétrica, ε0, e uma permeabilidade magnética, μ0, que faz com que ondas eletromagnéticas se propaguem através dele a uma velocidade de c, onde:
c =    1   
ε0×μ0
= 299792458 metros por secondo.

Alguns cientistas acreditam que ele também tem uma granularidade final: a menor distância indivisível possível de 1,6... ×10-35 metros [chamada O Comprimento de Planck] e um menor intervalo de tempo indivisível de 5,39... ×10−44 segundo [cha­mado O Período de Planck], em que:

c = Planck Length
Planck Time
=  1,6... × 10-35 
5,39... × 10−44
= 299792458 metros por secondo.

Se existe um período de tempo significativo mínimo absoluto [o Período de Planck], então deve ser o período de tempo dentro do qual o natural mecanismo de estados finitos mais fundamental pode mudar de um estado para outro. Isso, por sua vez, deve definir os tempos de transição com os quais mecanismos naturais maiores, como átomos, podem mudar de um estado dinâmico complexo para outro. Isso, por sua vez, deve determinar os tempos de rampa [e, portanto, freqüências] e as durações de rajadas dos grupos ondas de emissões discretas eletromagnéticas [linhas espectrais] que eles produzem.

Como um aparte rápido, também me sugere que o Período de Planck deve ser a periodicidade mínima absoluta que uma onda pode ter. Por­tanto, a maior frequência possível deve ser de 1,85528757 ×1043 hz. Não obstante, o Comprimento de Planck e o Período de Planck são preceitos de teorias que seguem a atual moda de ver tudo através dos olhos da tecnologia digital. Não creio que a natureza seja digital no sentido da granulação do espaço, do tempo e de tudo o que nela existe. A digital­ização tem mais a ver com a maneira pela qual a mente humana repre­senta a natureza simbolicamente e não com a estrutura dinâmica iner­ente da natureza.

Então o espaço-tempo tem características reais absolutas e mensuráveis. Pode-se dizer, portanto, que tem uma essência ou mesmo substância. Penso razoável con­cluir disso que a substância de todas as coisas que estão dentro do espaço-tempo - das partículas fundamentais aos super-aglomerados galácticos - é a do próprio espaço-tempo. Eu chegaria ao ponto de dizer que todos os objetos - de partículas fundamentais para cima - são simplesmente complexas convoluções dinâmicas dentro da essência do espaço-tempo.

Consequentemente, o que quer que afete o espaço-tempo, também deve afetar tudo o que é dele e dentro dele. Então, se o próprio espaço-tempo estiver se exp­andindo ou se contraindo, então tudo que está dele e dentro dele também deve estar se expandindo ou se contraindo, respectivamente. Isto é, todas as partículas funda­mentais, átomos, seres humanos, planetas, estrelas, galáxias, aglomerados e super-aglomerados devem estar todos em expansão ou se contraindo junto com o espaço-tempo que os contém e é a essência de sua substância.

Uma linha espectral emitida por um átomo de hidrogênio há muito tempo, nos confins do meu horizonte de eventos. Um átomo de hidrogênio nos limites mais dist­antestiver se expandindoes do meu horizonte de eventos emite espontaneamente um pulso de luz verde [conforme flechado no diagrama ao lado]. Em 12 bilhões de anos depois, vejo esse evento aqui na Terra.

Se o espaço-tempo estiver se expandindo, então, do meu ponto de vista, o Comprimento de Planck é menor na vizinhança daquele átomo de hidrogênio. Para preservar a invariância de c, o Período de Planck deve ser correspondentemente mais curto. Assim, do meu ponto de vista, esse átomo de hidrogênio é menor que um átomo de hidrogênio que é local para mim. Além disso, opera mais rápido. Assim, o pulso de luz que ele emitiu deve, do meu ponto de vista, ser de um com­primento de onda menor que o da linha de emissão correspondente de um átomo de hidrogênio local. Em outras palavras, é efetivamente desviado para o azul no ponto de emissão. O espaço intermediário entre aquele distante átomo de hidro­gênio e eu [o observador] está se expandindo. Isso causa um desvio para o verm­elho do Doppler no pulso de luz à medida que ele percorre o espaço intermediário. E o desvio para o vermelho é o que eu vejo. Eu vejo a luz daquele distante átomo de hidrogênio chegando aos meus olhos como tendo sido desviado para o verm­elho. Consequentemente, o desvio para o vermelho do Doppler deve ser tão grande que ele compense em excesso o desvio para o azul causado pelo processo de emissão atômica mais rápido no próprio átomo de hidrogênio distante, deixando o desvio para o vermelho visível que vejo.

A expansão do espaço-tempo é problemática. É muito complicado. Quando inter­pretado como um efeito Doppler, o desvio para o vermelho mostra objetos muito distantes e grupos de objetos a serem recuados. No entanto, objetos dentro de aglomerados galácticos não parecem estar se dispersando como seria esperado se o espaço estivesse se expandindo. Assim, parece que apenas o espaço entre aglo­merados está se expandindo, enquanto o espaço dentro de aglomerados não está. Mas se o espaço em si estivesse se expandindo, então seria de se esperar que a expansão fosse uniforme e homogênea. Para resolver esta anomalia, os cosmó­logos postulam que a dispersão de objetos dentro de um aglomerado é contrariada pela atração gravitacional extra fornecida por uma teia tridimensional dentro de aglomerados do que eles chamam de matéria escura. Assim, a expansão do esp­aço é apenas aparente fora de um aglomerado onde a matéria escura é consid­erada esparsa ou inexistente. Novamente, quando interpretado como um efeito Doppler, o desvio para o vermelho mostra os objetos mais distantes a recuar a 2,5 vezes a velocidade da luz, com a superfície esférica da emissão original do Fundo Cósmico da Microondas recuando a cerca de 3,2c [incrivelmente perto de πc]. Além disso, parece que, de acordo com os cálculos dos cosmólogos, a taxa na qual o espaço está se expandindo está aumentando ativamente. Isso exige um forneci­mento contínuo de energia para o qual não há fonte aparente. Para resolver essa anomalia, os cosmologistas postulam que o universo é permeado por um reserva­tório de energia indetectável ao qual eles se referem como energia escura.

Para construir uma teoria do universo baseada na expansão do espaço-tempo, os cosmologistas, portanto, têm que equilibrar uma sucessão de três postulados não verificáveis sobre uma suposição sobre uma observação, a saber:

OBSERVAÇÃOdesvio para o vermelho na luz de objetos cósmicos remotos
ASSUMIDOser um resultado do efeito Doppler
ANOMALIA 1mostra galáxias remotas para recuar em 2·5c
POSTULADOque o próprio espaço-tempo deve estar se expandindo
ANOMALIA 2espaço entre aglomerados não parece estar se expandindo
POSTULADOmatéria escura para combater a expansão local do espaço
ANOMALIA 3espaço teria que expandir a uma taxa de aceleração
POSTULADOenergia escura para alimentar a aceleração

Se o espaço-tempo se contrair, então, do meu ponto de vista, o Comprimento de Planck é mais longo na vizinhança daquele distante átomo de hidrogênio. Para preservar a invariância de c, o Período de Planck deve ser correspondentemente maior. Assim, do meu ponto de vista, esse átomo de hidrogênio é maior do que um átomo de hidrogênio que é local para mim. Além disso, opera mais lentamente. Assim, o pulso de luz que ele emitiu deve, do meu ponto de vista, ter um compri­mento de onda maior que o da linha de emissão correspondente de um átomo de hidrogênio local. Em outras palavras, é efetivamente desviado para o vermelho no ponto de emissão. O espaço intermediário entre aquele distante átomo de hidro­gênio e eu [o observador] está se contraindo. Isso causa um desvio de Doppler para o azul no pulso de luz enquanto ele percorre o espaço intermediário. Mas vejo um desvio para o vermelho. Eu vejo a luz daquele distante átomo de hidrogênio cheg­ando aos meus olhos como tendo sido desviado para o vermelho. Consequente­mente, o desvio de Doppler para o azul deve ser muito pequeno para compensar completamente o desvio para o vermelho causado pelo processo de emissão atô­mica mais lento no próprio átomo de hidrogênio distante, deixando assim o desvio para o vermelho visível que vejo.

Se o espaço-tempo estiver se contraindo, então a taxa de contração envolvida deve ser muito pequena comparada com a taxa de expansão no caso de expansão do espaço-tempo. Isso é porque a contratação de espaço-tempo produz um desvio para o azul, ao passo que vemos um desvio para o vermelho. Para compensar em demasia esse desvio transital para o azul, o desvio para o vermelho resultante dos átomos maiores e mais lentos emitindo ondas mais longas exigiria um alongamento enormemente maior do Comprimento de Planck e do Período de Planck do que o encurtamento necessário no caso de expansão do espaço-tempo. Nosso espaço local deve, portanto, ser proporcionalmente muito mais contraído em comparação com o espaço próximo da borda do nosso horizonte de eventos do que seria exp­andido no caso de expansão do espaço. Portanto, as distâncias dos objetos mais distantes devem ser estupendamente maiores neste caso, o que provavelmente as colocaria às velocidades centenas de vezes a velocidade da luz. Isso torna a con­tratação de espaço-tempo ainda mais problemática do que a expansão do espaço-tempo.

E é igualmente baseado no mesmo equilíbrio precário de 3 camadas de postulação sobre uma suposição sobre uma observação.

Se o espaço-tempo for estático, isto é, não se expandindo nem contraindo, então, do meu ponto de vista, o Comprimento de Planck deve ser o mesmo na vizinhança daquele distante átomo de hidrogênio como é em minha localidade. E para preservar a invariância de c, também deve ser o Período de Planck. Assim, do meu ponto de vista, esse átomo de hidrogênio é do mesmo tamanho que um átomo de hidrogênio que é local para mim. Além disso, opera na mesma veloci­dade. Assim, o pulso de luz que ele emitiu deve, do meu ponto de vista, ser do mesmo comprimento de onda que o da linha de emissão correspondente de um átomo de hidrogênio local. Em outras palavras, não é desviado para o vermelho nem desviado para o azul no ponto de emissão. O espaço intermediário entre aquele distante átomo de hidrogênio e eu [o observador] é estático: não está se expandindo nem se contraindo. Assim, não pode haver desvio Doppler no compri­mento de onda da luz enquanto ela percorre o espaço intermediário. Mas vejo um desvio para o vermelho. Eu vejo a luz daquele distante átomo de hidrogênio cheg­ando aos meus olhos como tendo sido desviado para o vermelho. Consequente­mente, esse desvio para o vermelho não pode ser causada por um efeito Doppler devido ao espaço em expanção. Se de fato é devido ao Efeito Doppler, então esse Efeito Doppler deve ter resultado da velocidade com que aquele átomo de hidro­gênio está se afastando de mim enquanto viaja à travers de espaço. Não obstante, a quantidade de desvio para o vermelho que eu vejo requer que a velocidade com que o átomo de hidrogênio distante está retrocedendo seja de aproximadamente 2,5c. Nesse caso, a luz nunca teria chegado a mim.

O fato de que podemos observar - e, teoricamente, ser gravitacionalmente afet­ados por essas galáxias remotas vermelhas - significa que eles não podem estar se afastando de nós mais rápido do que a luz que conseguiu nos alcançar deles. Então, o desvio para o vermelho que vejo não pode ser resultado do efeito Doppler. Deve ter sido causado por um fenômeno diferente.

A Opção Mais Simples

Eu vejo a luz chegando de uma galáxia distante como deslocada para o vermelho. Não obstante, se o Axioma Principal for verdadeiro, então o espaço-tempo distante no qual aquela galáxia está localizada, não pode ser comprimido nem expandido em relação ao meu espaço-tempo local. Os valores de tais constantes universais como o Comprimento de Planck [lp] o Período de Planck [tp] a permissividade elétr­ica do espaço livre [ε0] e a permeabilidade magnética do espaço livre [μ0] devem todos ter exatamente os mesmos valores locais em ambos os lugares e épocas. Eles são invariantes: eles não podem mudar com o tempo e o espaço. Consequent­emente, um observador alienígena [hoje] naquela galáxia distante deve ver a luz da galáxia Via Láctea [como era há 12 bilhões de anos] desviada para o vermelho pela mesma quantidade.

Se o espaço-tempo estiver em um estado contínuo de expansão ou contração, então também deve haver os invariantes acima. O Axioma Principal é assim viol­ado. Se, por outro lado, o espaço-tempo não se expandir nem contrair, então, quando interpretado como um efeito Doppler, o desvio para o vermelho observado indica que a galáxia deve estar retrocedendo a cerca de 2,5c. O Axioma Principal é novamente violado. Se admitirmos que o Axioma Principal de fato é falso, então o desvio para o vermelho poderia ser o resultado das leis da física serem diferentes naquela galáxia distante. Nesse caso, todas as tentativas de raciocinar sobre a causa do desvio para o vermelho seriam inúteis. Não haveria base sobre a qual construir uma teoria.

Portanto, devo assumir que o Axioma Principal é verdadeiro.

A explicação do desvio para o vermelho, que requer o menor número de supos­ições e postulações a serem empilhadas em cima da observação direta, é que ele deve ocorrer durante a passagem da luz através do espaço-tempo interveniente entre a fonte e o observador. Assim, a luz emitida pela galáxia distante não é des­viada de forma alguma na fonte. A galáxia emite luz dos mesmos comprimentos de onda que se fosse local. Então, desviada para o vermelho é como a galáxia parece: não como é. Consequentemente, a luz emitida pela galáxia deve tornar-se desviada para o vermelho durante sua jornada de sua origem distante. O desvio para o vermelho observado não pode ser devido à velocidade de recessão ou ao espaço em expansão. Qualquer um violaria o Axioma Principal.

A única opção viável deve, portanto, ser que o desvio para o vermelho que vejo seja efetuado pelo mecanismo de transporte do espaço-tempo que transmite a luz da galáxia distante [a fonte de luz] para mim [o observador].

O Modelo Etéreo

O papel em movimento de um registrador gráfico como uma analogia do modelo da luz de fluxo etéreo convergente. O modelo etéreo do universo, que venho construindo ao longo desta série de ensaios, é a maneira que escolhi para descr­ever esse mecanismo de transporte do espaço-tempo pelo qual a luz é transmitida de sua fonte para um observ­ador. O conceito básico desse modelo é que existe um tecido funda­mental do espaço-tempo, que chamei o éter. Flui con­vergentemente para dentro de sumidouros, que constituem os núcleos de todas as partículas primárias da matéria. O éter flui radial­mente para dentro em direção a um sumi­douro a uma veloci­dade constante de 'c'. Uma fonte de luz grava sua leve assin­atura no éter que passa, da mesma maneira que uma caneta em movimento escreve um traço de tinta sobre o papel que passa através um registrador gráfico.

Se o Axioma Principal for verdadeiro, então os átomos de um tipo particular, sob as mesmas condições, estão em todos os lugares do mesmo tamanho e mudam de um estado para outro na mesma taxa. Consequentemente, as suas linhas espect­rais correspondentes serão cada uma do mesmo comprimento de onda e frequên­cia. Em outras palavras, as linhas espectrais emitidas por átomos de um tipo part­icular serão coincidentes, onde quer que no universo esses átomos possam estar. Assim, desde que o éter não se estique radialmente durante sua jornada conver­gente a partir da borda do meu horizonte de eventos, então eu não veria nenhuma galáxia distante como desviada para o vermelho.

Mas eu faço. Portanto, devo deduzir que, durante a sua longa jornada de uma gal­áxia distante na borda do meu horizonte de eventos, o éter, fluindo para dentro de cada sumidouro nos átomos das retinas dos meus olhos, deve ter, no momento em que chega até eu, esticaram-se radialmente a 7 vezes o que era quando passava a fonte. Para que isso aconteça, o éter, à medida queele chega até eu, deve estar se movendo a 7 vezes a velocidade em que estava se movendo quando passou a fonte. Assim, o fluxo etéreo parece ter uma velocidade radial terminal interna de 'c' quando entra em um sumidouro, que diminui com a sua distância radial do sumi­douro.

Mas por que deveria? Eu vejo duas variáveis etéreas relacionadas em jogo aqui: a densidade do seu fluxo e sua velocidade de convergência. Como evidenciado pela geometria esférica pura, a densidade do fluxo etéreo aumenta com a diminuição da distância radial a partir de um sumidouro a uma taxa de 8πr, onde 'r' é a distância a partir do sumidouro. Se o éter for um fluido de auto-influência, então sua densidade aumentará um pouco mais rapidamente com a diminuição da distância radial do que o que seria devido à geometria esférica pura. Em outras palavras, aumentaria em densidade a uma taxa de k×8πr, onde 'k' é uma const­ante muito pequena com um valor aproximadamente da ordem da 'constante' de Hubble dividido por 8π.

Isso é consistente com o comportamento de um fluido material como o gás "per­feito" [com moléculas que não são sem massa] fluindo esfericamente radialmente para um sumidouro. Não obstante, é preciso lembrar, quando se considera o éter, que ele não é um fluido material, mas uma fluido de velocidade: ele existe, do ponto de vista de qualquer observador, somente enquanto ele estiver em movi­mento forçado em relação desse observador. Consequentemente, o comporta­mento dele segue regras que são uma ordem de diferenciação menor que aquelas para fluidos materiais. A sua taxa de mudança de densidade com diminuição da distância radial não seria, portanto, k×8πr, mas simplesmente k×8π. Seria linear.

Suponha que o critério de governança seja o de que o fluxo etéreo entre em um sumidouro a uma velocidade terminal universalmente constante 'c'. Como a luz que chega de fontes muito distantes é desviada para o vermelho, o "rolo gráfico" etéreo no qual tais fontes gravam as suas assinaturas luminosas deve ter passado por essas fontes a velocidades muito inferiores a 'c'. As únicas questões remanescentes dizem respeito à maneira pela qual a velocidade da essência etérea diminui com a distância radial a partir de seu sumidouro de destino. Ela diminui linearmente ou não-linearmente? Se não-linearmente, diminui mais rapidamente ou menos rapida­mente com o aumento da distância?

O problema com essas perguntas é a noção de distância. Eles promovem a distâ­ncia como o fundamento contra o qual um julgamento sobre a velocidade é feito. Mas no contexto do universo, é o movimento que é o fundamento. Distância é meramente o caso especial onde movimento relativo é zero.

Em nosso ambiente terrestre, que é o berço de nossa compreensão conceitual do domínio físico, a distância é a base em termos da qual julgamos toda estrutura e comportamento físico. Não obstante, nosso ambiente terrestre é apenas um caso especial muito limitado da realidade universal. No universo como um todo, a noção fundamental é o movimento relativo da "queda livre". Em outras palavras, o estado fundamental do universo é aquele em que os objetos estão se movendo em relação um ao outro enquanto estão livres da influência de quaisquer forças externas delib­eradas. Tal movimento pode ser complexo. Pode envolver acelerações relativas altamente não-lineares, bem como velocidades relativas constantes.

Um corolário disso é que não pode haver diferença real entre uma gal­áxia se afastando de um observador como resultado de viajar através do espaço a uma velocidade particular de recessão ou como resultado do espaço entre eles se expandir na mesma velocidade.

A pergunta, portanto, não deveria ser sobre como não-linear a diminuição da velo­cidade da essência etérea com a distância radial. Seria mais apropriado considerar a diminuição da velocidade da essência etérea com a distância radial como linear e aplicar uma não-linearidade compensatória à nossa percepção das distâncias gal­ácticas.

Por favor, note que é a velocidade da minha influxo da essência etérea que diminui linearmente com distância radial a partir de mim. Assim, é exclusivamente a minha essência etérea que está passando por uma galáxia distante, suficientemente lento para causar a quantidade de desvio para o vermelho que vejo. A velocidade com que a essência etérea está entrando nos sumidouros naquela galáxia distante ainda é 'c': a mesma velocidade com a qual ela entra os sumidouros dos constituintes dos átomos nas retinas dos meus olhos. O que acontece nos dois lugares é o mesmo. O Axioma Principal é assim conservado.

É claro que, dentro do contexto da minha teoria do universo baseada no éter, a taxa na qual a velocidade radial do transportador etéreo 3-D diminui deve ser extremamente pequena. Eu esperaria que fosse de um valor semelhante ao da "constante" do Hubble; ou seja, da ordem de setenta e poucos quilômetros por segundo por mega-parsec. Conseqüentemente, deve haver um limite da distância radial a partir de mim na qual a velocidade radial do meu fluxo etéreo se torna muito lenta para que um átomo seja capaz de inscrever nele uma gravura eletro­magnética com profundidade adequada de modulação ou clareza de forma a ser observável. E esse limite da distância radial é o que eu diria que marca a borda do meu horizonte de eventos.

Em qualquer caso, a uma distância tão extrema, o desvio para o vermelho é tão grande que as ondas eletromagnéticas são muito longas para resolver qualquer detalhe sobre a sua fonte. Assim, o que eu observo como o Fundo Cósmico de Microondas é a última fronteira difusa do meu horizonte de eventos em que qual­quer coisa pode ser discernida. Mas isso não significa que o universo não continue além do meu horizonte de eventos. Eu esperaria que continuasse, assim como a superfície da Terra além do meu horizonte terrestre. Além disso, não vejo razão para não continuar da mesma forma. Isto é, com os mesmos tipos de planetas, estrelas e galáxias que são observadas na minha proximidade cósmica.

Ao construir essa teoria do desvio para o vermelho, cometi o que talvez seja a blasfêmia científica mais abominável. Eu propus que o éter universal, sobre o qual uma fonte distante grava a sua assinatura luminosa, não flua em minha direção a uma velocidade radial constante. Para explicar o fenômeno do desvio para o ver­melho, propus que ele flua lentamente das profundezas do espaço, aumentando linearmente até uma velocidade terminal de 'c' ao entrar nos sumidouros nos áto­mos das retinas dos meus olhos. Isso está efetivamente dizendo que a velocidade da luz não é uma constante. Mas a constância da velocidade da luz é a âncora principal de praticamente todas as teorias científicas modernas. Então, o que a ciência sabe sobre a velocidade da luz? Em que âmbito dos limites cósmicos ele foi verificado como constante?

A ciência mediu a velocidade da luz somente dentro do que é, cosmicamente fal­ando, um contexto minúsculo de cerca de 2 mili-anos-luz. Essa é a mais recente [na época em que escrevo] a troca de sinais de rádio bidirecional [ou verificação de radar ativo] entre a Terra e a Voyager I. Dizer que ipso facto a velocidade da luz, do ponto de vista de qualquer observador em particular, deve portanto ser constante ao longo de um caminho de 13 bilhões de anos-luz a partir do limite do horizonte de eventos dele não é credível, especialmente considerando a taxa extremamente pequena de diminuição necessária para explicar o desvio para o vermelho.

Por favor, continue a lembrar que minha ideia proposta de que a velocidade radial do influxo etéreo para um observador é relativista. É o mesmo para qualquer observador em qualquer parte do universo. Um observador à beira do nosso atual horizonte de eventos perceberá que nossa galáxia, a Via Láctea, está deslocada para o vermelho. As linhas espectrais de fontes dentro da vizinhança dele apare­cerão para ele como as linhas espectrais emitidas por fontes em nossa vizinhança fazem para nós. As leis da física são as mesmas em todos os lugares. O Axioma Principal é conservado.

Conclusão

O meu modelo de influxo etéreo é, como qualquer outra teoria científica: nada mais que uma estrutura mental com a qual tento entender a realidade. No entanto, é - pelo menos para mim - uma explicação muito mais simples do que qualquer noção nebulosa de espaço em expansão. Entaõ, afinal, as galáxias distantes podem não estar se afastando de nós. Eles poderiam, de fato, estar se aproximando. A mesmo modo em que os objetos celestes locais fazem com suas órbitas decad­entes.


© 17 julho 2018 Robert John Morton | ANTE | PROX