segunda-feira, 27 de maio de 2013

Universo e as suas "libertações"


Vou agora procurar contar a história do Universo de um modo diferente. Vou supor que o Universo é um ser vivo que alcança libertações, sofre crises, vai respondendo aos desafios que lhe aparecem pelo caminho. Pode parecer que há uma evolução teleológica (com um objectivo determinado), mas esta posição não é científica; é muito mais de tipo religioso. Portanto, o leitor fica avisado que esta maneira de contar as coisas tem pouco de científico, enquanto parece apresentar uma finalidade para a evolução, que seria o aparecimento do homem. Contudo o que se diz tudo isso aconteceu. Por exemplo, quando falar da primeira crise de crescimento, dou conta de um facto; o nome é que não é muito apropriado; quando falo da solução dessa crise, ela realmente existiu, mas não foi planeada pelo Universo a regra e esquadro. Trata-se pois de uma linguagem, muito antropomórfica, que pode induzir em erro, mas que permite apresentar os vários desafios com que foi confrontando o Universo e a evolução de um modo, que penso ser mais didáctico.
Acompanharei as primeiras secções citando E. Cardenal, no seu Cântico Cósmico (Trotta, Madrid 1992, 410 pp.) para quebrar a monotonia do meu relato e para os que gostam de relatos poéticos, cheios de criatividade, mas também de alguma física quântica. Quem não gostar de poesia pode saltar.

Segundo as últimas informações (sonda Planck), o Universo tem cerca de 13,8 x 109 anos de idade, isto é, 13 800 000 0000 ou 13,8 Ganos (giga anos). A maior parte dos acontecimentos marcantes deste Universo aconteceu nestes primeiros segundos, no quarto de hora inicial. Este pequeníssimo intervalo de tempo foi “vivido” com tal intensidade que o Universo, partindo de uma situação caótica, “conseguiu” formar átomos que, depois, actuados pela força da gravidade vão conduzir-nos a este espectáculo único que é uma noite límpida de céu estrelado.


Vou contar esta história a partir das libertações de situações difíceis, da superação de crises de crescimento; depois, das crises que afectaram a vida e o seu desenvolvimento e, finalmente, das libertações somáticas que conduziram ao homem.

           Lá em cima chamam as estrelas
           convidando-nos a despertar, a evoluir,
                sair dos cosmos.
          Elas engendradas pela pressão e pelo calor.
                               Como alegres quarteirões iluminados
                               Ou povoações vistas de noite de um avião.
                O amor: que acendeu as estrelas…
          O universo está feito de união.
                               O universo é condensação.
          Condensação é união, e é calor (Amor.)
          O universo é amor.
                               Um electrão nunca quer estar só.
          Condensação, união, isso são as estrelas.
          A Lei da Gravidade
                               che muove il sole e l’altre stelle (1*)
         é uma atracção entre os corpos, e a atracção
         se acelera quando se aproximam os corpos.
         A força de atracção da matéria caótica.
                                           Cada molécula
        atrai qualquer outra molécula do universo.
                A linha mais recta é a curva.
                                                         Só o amor é revolucionário.
                                                         O ódio é sempre reaccionário.
        O calor é um movimento (agitação) das moléculas,
        como o amor é movimento (e como o amor é calor).
                   Um electrão procura pertencer a um grupo completo ou um subgrupo.
                                 Toda a matéria é atracção.
Cantiga 8, p. 57

VOLTO A AVISAR: não sei se a evolução tinha ou não intenção de fazer aparecer o homem. Dá-me jeito adoptar esta perspectiva para, ao contar uma história, não ser obrigado a usar os palavrões técnicos nem a descrever mecanismos, alguns deles bem complexos.

LIBERTAÇÕES
Foram várias as “libertações” que permitiram ao Universo continuar a sua evolução.

Neste esquema da evolução do Universo podem ver-se os tempos e as temperaturas em cada momento. Vemos o instante do Big Bang, a Inflação, os domínios da Radiação (azul a avermelhado) e o da Matéria (a azul).
Verifica-se que os principais acontecimentos do Universo se desenrolaram nos primeiros minutos. No resto do tempo houve de notável o aparecimento das estruturas (galáxias e estrelas), a aceleração da expansão (indicada pla espécie de sino deitado), o aparecimento da Terra, da Vida e do Homem.

a) Libertação do Caos
No princípio dos princípios, tudo seria caos, confusão. Violentas explosões de energia produzindo partículas muito massivas que não teremos nunca possibilidade de ver em laboratório. Não se sabe nada hoje porque não há modelos nem teorias físicas que permitam “olhar” este inferno inicial. Várias tentativas matemáticas podem vir a abrir janelas, mas por enquanto não vemos nada.
Nada se sabe. Por isso fala-se de flutuações quânticas, palavrões que nada dizem e só servem para camuflar a nossa ignorância.
Talvez se possa imaginar como qualquer coisa parecida com esta fotografia composta do Sol.

Esta imagem quase dantesca do nosso Sol é uma composição de 25 fotografias feitas em luz UV (ultra violeta) pelo SDO (Solar Dynamics Observatory) durante um ano.

                No princípio não havia nada
                               nem espaço
                                               nem tempo.
                                                               O universo inteiro concentrado
                no espaço do núcleo de um átomo,
                e antes ainda menos, muito menor que um protão
                e ainda menos ainda, um infinitamente denso ponto matemático.
                                                                              E foi o Big Bang.
                A Grande Explosão.
                O universo submetido a relações de incerteza,
                O seu raio de curvatura indeterminado,                             
                                               a sua geometria imprecisa
                com o princípio de incerteza da Mecânica Quântica,
                geometria esférica no seu conjunto mas não no seu detalhe,
                como qualquer pasta ou papa indecisamente redonda
                imprecisa mas mudando constantemente de imprecisão
                tudo numa louca agitação,
                era a era quântica do universo,
                                               período no qual nada era seguro
                nem as “constantes” da natureza flutuantes indeterminadas
                               isto é
                                               verdadeiras conjecturas do domínio do possível
Cantiga 1, p. 9

  
b) Libertação da Força unificada
No princípio havia uma única força que manietava tudo e da mesma maneira. Nada escapava à sua violência e omnipresença. Linhas de força muito intensas sujeitavam tudo, indiscriminadamente, à ditadura dessa força única. As quatro forças fundamentais não tinham identidade própria. Formavam uma “quimera”, entrançadas numa única entidade que exercia um efeito catastrófico sobre tudo o que existia.
O Universo libertou-se desse espartilho aproveitando a descida de temperatura. A força omnipotente começou a destrançar-se nas suas componentes, adquirindo cada uma a sua identidade própria e permitindo que tudo entrasse na “normalidade”. A partir de dada altura, cada força ficou no seu domínio sem “oprimir” os outros, apenas pondo ordem em tudo o que fora desordenado. Agora tudo estava no seu lugar; não se vivia na anarquia pois cada força controlava a anarquia que havia inicialmente e introduzia alguma ordem num Universo tão rebelde. 

Estas são as forças que regulam todos os fenómenos do nosso Universo:
- a força da gravidade determina a estabilidade de galáxias, estrelas, planetas e seres vivos e não vivos; têm um alcance infinito, tal como a força electromagnética, mas nos domínios dos maiores espaços domina absolutamente;
- a força forte permite a existência dos núcleos atómicos, sobrepondo-se à força electromagnética que faz com que objectos do mesmo sinal eléctrico não se afastem e sejam estáveis juntos;
- a força fraca preside aos decaimentos radioactivos dos elementos instáveis;
- a força electromagnética é responsável por toda a arquitectura estável de nós próprios e dos objectos à nossa volta; regula toda as ligações químicas sob duas formas: atracção, se as cargas eléctricas são de sinal oposto (positivas e negativas); repulsão se são ambas do mesmo sinal (positivas-positivas; negativas-negativas).
Como se vê a força electromagnética tem um predomínio nas coisas do "dia-a-dia": nas grandes distâncias é vencida pela força da gravidade; nas pequeníssimas distâncias, do tamanho de um núcleo atómico, é vencida pela força forte.
       
            No princípio foi o caos.
            O caos foi apenas o primeiro instante da Grande Explosão.
            Depois tudo foi lei no universo.
            A sua criação foi a suspensão momentânea das leis físicas.
           Um caos em que algo apareceu do nada.
                               No princípio era o caos                
                                                                              (Génese assírio-babilónico)                      
                               quando os céus ainda não tinham nome.
           Como é que um universo caótico se converteu em estruturado?
                               Através dos telescópios e
                               dos aceleradores de partículas
                                                                              vemos uma mesma realidade.
           O átomo não só canta mas canta em uníssono com as estrelas
           E a singeleza e simplicidade do universo:
                               99% de hidrogénio e hélio
                               e o resto impurezas.
           Hidrogénio e hélio, os dois átomos mais simples.
           E como sementes num campo recém-lavrado
           as moléculas básicas, diz-se, estão regadas
                               por toda a negrura do espaço.
Cantiga 37, p. 323.
                                                                                             

c) Libertação da Aniquilação
Quando uma partícula encontrava a sua antipartícula, aniquilavam-se, transformando-se em energia. Por sua vez essa energia ia dar origem ao aparecimento de uma par partícula-antipartícula. A aniquilação, ao destruir todas as partículas, impedia a formação estável de estruturas consistentes, subsistindo um mar de energia. Tudo parecia resumir-se a um eterno jogo de ping-pong. O Universo parecia uma arena de fratricidas: um universo só de Caims sem haver nenhum Abel. As partículas andavam numa roda louca. Pouco a pouco, a temperatura foi baixando de tal modo que mais nenhuma partícula se podia materializar. E as partículas existentes foram-se destruindo mutuamente.
O Universo parecia condenado a ficar um mar de fogo sem perspectivas futuras. Foi então que, não se sabe donde nem a que propósito, surgiu um mecanismo ou uma qualquer mão invisível que fez com que o número de partículas fosse ligeiramente maior que o número de antipartículas. Assim ao desaparecerem todas as antipartículas (porque chocavam com as respectivas partículas), sobrou um ligeiro excesso de matéria, permitindo que a evolução continuasse.



            Aproxima-te desta rocha junto ao mar e olha:
            é quase inteiramente espaço vazio
                                                               (olha-a electronicamente)
            é evanescente espuma toda ela
           como a espuma do mar que das rochas nasce e nas rochas se desfaz.
           Efémeras partículas que não estão nem aqui nem ali,
           indo e vindo ao acaso das ondas de um mar vazio.
           Partículas que surgem do nada e voltam ao esquecimento.
                               Viajam do vazio ao vazio.
          "A palavra realidade não é utilizável para as partículas.”
                No princípio não havia o vazio absoluto.
                Ou o vazio absoluto em todos os sentidos.
          O electrão pode não ter saído de parte nenhuma
          porém deixou algo do nada donde saiu,
          uma espécie de oco no vazio, ou uma invisível borbulha de nada.
                               “A posição de uma partícula no espaço
                               é dependente da sua posição no tempo.”
          A gravidade é o espaço-tempo curvado, enrevesado.
          E ao mesmo tempo o espaço-tempo tem estrutura de espuma
                               e desvanece-se como espuma na areia.
         Caótico mar onde mesmo a noção comum de lugar desaparece!
          E onde o próprio espaço pode mudar e mover-se
          (e fazer-se espuma).
          Vivemos num mundo de electrões indeterminados
          intercambiando fotões de posição confusa, fotões
          perdidos na neblina da incerteza quântica.
         Que são como a quase invisível bola de ténis
         que caprichosamente faz movimentar-se a dois jogadores
         com movimentos indeterminados mas também bem determinados.
                               Um mundo que não é senão um nada estruturado.
        As fantasmagóricas semiformas do vazio
        no agitado mar de quanta virtuais que são todo o espaço.
        Partículas elementares que não parecem possuir estrutura interna
        e juntas constituem todas as formas conhecidas da matéria.
                Partículas fantasmas indo e vindo, aparecendo
                               e desaparecendo.
        Partículas que bailam um louco rock num salão de engalanado nada.
                Não são
        exactamente electrões fantasmas os das equações quânticas
        mas realidades fantasmas, mundos fantasmas
        que apenas existem quando são observados.
                                               Einstein não o aceitou em toda a sua vida.
       A incerteza como propriedades inerente à matéria.
                Esta intangível qualidade das partículas quânticas…
     “Ninguém entende a física quântica”
                                                                Disse Feynmann
Cantiga 29, pp. 239-240.


d) Libertação do Uniformismo
Tudo era uniforme: radiação com partículas que se tornavam radiação. Já há componentes da matéria, os núcleos atómicos, mas devido às elevadas temperaturas, não conseguem associar-se com os electrões e formar os átomos, os “tijolos” das estrelas e galáxias.
A energia tudo destrói, tudo uniformiza. Existe um plasma onde se cruzam quarks e gluões e, mais tarde, núcleos atómicos e electrões. Tudo uniforme, alinhadinho; nada de estruturas consistentes.
De novo é o abaixamento da temperatura que vai permitir que os electrões se unam aos núcleos para formar os átomos. Embora haja poucos tipos de átomos, a composição do Universo já não é uniforme: 75% de hidrogénio e 24% de Hélio. A diversidade começa a impor-se. O problema é que a diversidade não avança e o Universo parece preso na armadilha da primeira crise de crescimento, que veremos mais abaixo.

Quando a temperatura baixar o suficiente, o plasma quarks-gluões dissocia-se nos seus componentes: quarks (uma das partículas elementares da matéria) e gluões (uma das "partículas" mediadoras da força forte). Como os quarks não podem "viver" isolados associam-se para formar as partículas de matéria, nomeadamente os protões e os neutrões.

Os protões e os neutrões, logo que a energia ambiente o permita, associam-se formando os primeiros núcleos atómicos: dois protões e sois neutrões formam o núcleo atómico do Hélio.

Mais tarde, os núcleos atómicos, ao associarem-se, forma os primeiros átomos (nucleossíntese cosmológica): Hidrogénio e Hélio. Os protões, apesar de terem a mesma carga eléctrica (positiva) não se repelem por causa da força forte que os une estavelmente.
Assim, todo o uniformismo presente no plasma quarks-gluões desaparece para dar origem aos primeiros individualizados diferentes.


e) Libertação da Opacidade
Tudo era um nevoeiro cerradíssimo. Não se via “um palmo à frente do nariz”. A luz perdia-se logo no meio daquele smog mais intenso que o de qualquer cidade poluída.
Quando a temperatura baixa e se formam os primeiros átomos, não é só a uniformidade que vai acabar; também a opacidade.
Os fotões interagem com os electrões. Como os electrões ficaram aprisionados pelos núcleos atómicos, os fotões libertam-se das suas ligações com eles. Antes, os fotões formavam um emaranhado de trajectórias: estavam continuamente a mudar direcção por causa dos contínuos choques com os electrões. Agora, livres, passam a deslocar-se em trajectórias lineares, permitindo o aparecimento dos raios luminosos. O Universo ficava transparente à luz.


Livres da interacção com os electrões (que ficaram presos aos nucleões para formar átomos), os fotões deslocam-se segundo trajectórias rectilíneas. Antes, chocavam continuamente com os electrões e era impossível seguir a sua trajectória. Agora, partem à aventura.


f) Libertação das Trevas
O silêncio, o frio e a escuridão caíram sobre o Universo: os átomos que existiam já estavam demasiado separados para se encontrarem e, quando se encontravam, seguiam não dando origem a nada. Eram apenas ressaltos num bailado de cegos onde poucos chocavam com poucos. A temperatura era muito baixa para iniciar reacções.
Tudo estava mergulhado numa escuridão total. Tudo parecia terminado. Mas não. Sob essas condições adversas, havia zonas de matéria mais densas que outras. Ligeiramente, mas o suficiente, para servirem de núcleos de futuras estrelas e galáxias. Até que passados muitos milhões de anos, começaram a surgir os primeiros pontos luminosos, pequenas luzes a ulcerar as trevas. Então, pouco a pouco, as trevas começam a desaparecer, os pontos brilhantes aumentavam e o céu, antes tão tétrico, tornou-se num belo espectáculo.

Na era das trevas nem sequer se via uma luz ao fundo do túnel.

Como se viu, a maior parte destas libertações ocorreu porque a temperatura ia baixando. Mas, quando ela baixou demasiado, o Universo teve de fazer apelo a um outro mecanismo para resolver este estrangulamento. No caso da Escuridão, o abaixamento de temperatura já não era capaz de eliminar as trevas.
Entrou em campo a força da gravidade, até agora desparecida. Como o Universo não era totalmente homogéneo, havia algumas zonas um pouco mais densas em matéria e outras menos. Aquelas tinham uma força de gravidade um pouco maior e começaram a atrair mais massa. A massa atraída aumentava a massa. O aumento de massa aumentava a força de gravidade. E assim sucessivamente chegou-se a um momento em que a massa condensada era tal que no seu centro a temperatura atingiu o valor de milhões de graus. Esta era uma energia suficiente para fazer desencadear reacções nucleares e acender os luzeiros no céu.

Vincent van Gogh (1888)

             A matéria é movimento.
                               O universo, transformação.
                                               As velocidades dentro dos átomos
                                                                                              são como as do céu.
                               Em contínua dança a matéria.
            As nuvens de hidrogénio em rotação
                               Engendrando estrelas em rotação,
           e as galáxias em discos, esferas ou espirais       
                                                                              também girando.
                               Expandindo-se tudo (além do mais)
                                                                                              ao mesmo ritmo.
         E qual é a sua razão de ser?
         Como foi a sua criação?
                E nós por que estamos?
                E quem somos?
                Terá o universo uma alma
                e somos nós essa alma
                com todo o cosmos por corpo,
         mesmo os gases mais distantes, o nosso corpo?
        Assim o cosmos conhece-se a si mesmo por nós.
                “Conhece-te a ti mesmo”.
       
        A gravidade que é o amor, dizíamos, por quem os beijos são dados.
        A gravidade é consequência do espaço-tempo curvo.
        A gravidade e todos nós.
        Também o mesmo Paul Davies disse:
                               Tempo e espaço essas duas ideias aproximadas…
        (Talvez uma teoria do futuro
        nem sequer use as noções de espaço e tempo.)
                               Passado, presente e futuro, é linguística
                Porém o último que prevalecerá será
                a segunda lei da termodinâmica?
        Só buracos negros e buracos negros e buracos negros
        nos quais tudo será submerso no esquecimento. São Paulo disse
        que o último inimigo vencido será a morte, será             
        a segunda lei da termodinâmica.
        Talvez outra vez a matéria, como no princípio,
        reduzida a uma densidade infinita.
        O Apocalipse segundo Davies.
Cantiga 5, pp. 35-36 e
Cantiga 9, pp. 66-67.


Assim chegámos a uma nova etapa. Liberto dos muitos empecilhos, o Universo vai agora debater-se com algumas crises. Veja o  próximo episódio.


Notas

(1*) Últimas palavras da Divina Comédia de Dante (Paraíso, canto XXXIII,146). Dante aplica-a ao "amor que move o céu e as outras estrelas" (l'amor che move il sole e l'altre stelle). Aqui Cardenal aplica-a à gravidade, da qual diz, na Cantiga 9, "a gravidade que é amor" (citada mais abaixo)

terça-feira, 14 de maio de 2013

Uma cronologia do Universo

Para melhor compreender a história do Universo convém ter presente as observações que se seguem.

1) Expansão igual a arrefecimento
O universo, como qualquer corpo, ao expandir-se, vai arrefecendo, ou seja, vai diminuindo a temperatura. Energia e temperatura resultam dos choques entre os átomos. Sendo constante a energia total do Universo, um aumento de volume implica uma diminuição  dos choques e, consequentemente um abaixamento da energia por unidade de volume.
Portanto, o que é conveniente reter é que, como o Universo está em expansão, está também a arrefecer.

2) Matéria e Antimatéria
Sabe-se que há uma relação íntima entre energia e massa traduzida pela célebre equação de Einstein, E = mc2, uma equação que significa, entre outras coisas, que a energia e a massa se podem converter uma na outra. Desde que haja energia suficiente, ela pode “materializar-se” em partículas, sempre aos pares: uma partícula e uma antipartícula. Por exemplo, se for de 2 GeV (o eV é uma unidade de medida da energia), ela pode criar um protão e a sua antipartícula, o antiprotão, porque cada um deles equivale à energia de 1 GeV. Mas se a energia, melhor, se a densidade média de energia for 1 MeV, já não é possível “materializar” 1 protão e 1 antiprotão, mas “apenas” 1 electrão (0,5 MeV) e a sua antipartícula, o positrão (0,5 MeV). Portanto, quanto maior for a energia disponível, mais pesadas são as partículas formadas (ver esquema abaixo lado esquerdo). 
Por outro lado, quando se encontram, cada partícula e a respectiva antipartícula “aniquilam-se”, transformando-se em energia. No caso do electrão e do positrão, ao chocarem, aniquilam-se, “desaparecem", e em seu lugar fica disponível uma energia de 1 MeV, igual à soma das massas do electrão e do antielectrão. A energia libertada, neste caso, toma a forma de dois fotões de 0,5 MeV cada um (ver esquema abaixo lado direito).

Lado esquerdo: um fotão (1 MeV) pode materializar-se em duas partículas: o electrão e o anti-electrão (positrão).
Lado direito: um electrão e um positrão ao chocarem aniquilam-se, originando dois fotões em sentidos opostos.

É preciso compreender bem isto, porque estas reacções – materialização / aniquilação – estão a ocorrer constantemente no Universo até que deixe de haver energia suficiente para formar partículas. Quanto maior for a energia, maior é a massa das partículas que se podem materializar, algumas delas bem exóticas e que só devem ter existido no ambiente extremamente energético dos primeiros momentos do Universo. Quando a energia baixar de 1 MeV já não há mais materialização de partículas, embora as que existem sempre que se encontram com a sua antipartícula continuem a aniquilar-se até desaparecerem todas.
À medida que a expansão avança, a temperatura vai baixando e, portanto, a densidade de energia vai diminuindo, deixando de ser possível a materialização das partículas cuja massa corresponde a energias mais elevadas. E aqui coloca-se uma questão. Por que é que hoje quase não existe nenhuma antimatéria? Deve ter havido um mecanismo que permitiu o aparecimento de um pouco mais de matéria, pois, caso contrário, a matéria e a antimatéria ter-se-iam aniquilado totalmente. Não haveria nem matéria nem antimatéria e não estaríamos aqui.

3) Nomes estranhos
A história que se segue está repleta de partículas como nomes estranhos – hadrões, bariões, mesões, leptões, quarks – que são as diferentes partículas da matéria e também outros nomes – gluões, bosões, gravitões – que são partículas mediadoras das quatro forças fundamentais que governam as relações entre as partículas da matéria. Deixo aqui apenas a referência para que não se preocupem. Diria que todas estas partículas fazem parte coerente do chamado “Modelo Padrão” da matéria, que explica a existência da matéria e das forças que a governam. Não valerá a pena dizer muito mais. Quando um destes palavrões aparecer já sabem que se trata de partículas de matéria mais pesadas (quando a temperatura é mais elevada) ou mais leves (quando a temperatura é mais baixa) ou de partículas mediadoras das forças que ligam a matéria.
Na coluna da esquerda temos os quarks (u e d) e o electrão e o neutrino (leptões); estas quatro partículas da primeira coluna formam toda a matéria “normal” (as segunda e terceira colunas têm mais quatro quarks que são instáveis).
Na coluna da direita temos as “partículas” mediadoras das forças que ligam os constituintes da matéria: o fotão (γ), para a força electromagnética; o gluão, para a força forte e os bosões Z e W, para a força fraca; falta apenas o gravitão, para a força da gravidade.
Isolado do lado direito está o famoso bosão de Higgs, suporte de todo o Modelo.

Feitas estas recomendações, vamos a ver se a história do Universo que se segue fica compreensível. Espero que as notas não tenham baralhado muito, especialmente a nota 3). Mas se baralharam é simples: ignore-a e procure acompanhar a história.

É altura de contar a história do Universo tal como hoje se supõe ter acontecido, a partir do Big Bang. Há várias histórias conforme se toma como grelha de leitura as partículas dominantes ou as forças de interacção. Na imagem abaixo está uma dessas propostas.

Contudo eu irei apresentar outra ligeiramente diferente. A vantagem é perceber que por uma ou outra forma são sempre os mesmos acontecimentos que são referidos. Portanto, segue-se um relato que pretende ser cientificamente correcto. Mais tarde, num próximo post, farei uma narração mais antropomórfica, mas talvez mais inteligível. Pelo menos, assim espero!
  
ANTES DO BIG BANG
Gamow acusa S.to Agostinho de ter dito que “nesse tempo” Deus criava o inferno para para lá mandar os que se ocupavam destes problemas.

À entrada do quinto círculo do Inferno acumulam-se, no rio Estige, os condenados pelo pecado da ira
                
O tom irónico diz bem com Gamow. Só com um pequeno pormenor: não é verdade. O que realmente diz S.to Agostinho é: “Eis a minha resposta àquele que pergunta: «Que fazia Deus antes de criar o céu e a terra?» Não lhe responderei nos mesmos termos com que alguém, segundo se narra, respondeu, iludindo com graça, a dificuldade do problema: «Preparava – disse – a geena (o inferno) para aqueles que perscrutam estes profundos mistérios!» Uma coisa é ver a solução do problema e outra é rir-se dela. Não darei essa resposta. Gosto mais de responder: não sei – quando de facto não sei – do que apresentar essa solução, dando motivo a que se escarneça do que propôs a dificuldade e se louve aquele que respondeu sofisticamente” (Confissões, livro XI, 12).
Nada se sabe, como é natural, sobre um tempo tão fora das actuais teorias físicas.

Era de Planck: t < 10-43 s depois do Big Bang
Não sabemos nada do que aconteceu nesta era. Diz-se que tudo eram flutuações e convulsões quânticas, mas não se sabe. As flutuações aleatórias de energia são tão grandes que não podem ser explicadas. Como a energia e a massa são equivalentes (da Teoria da Relatividade: E = mc2), as flutuações enormes de energia causam mudanças aleatórias no espaço-tempo. Mas talvez nem sequer faça sentido falar de qualquer coisa, nem em intervalos menores de tempo, pois não há instrumentos matemáticos para fundamentar um modelo ou uma teoria. A actual física não é aplicável e torna-se necessária uma outra teoria que acasale a física quântica (que explica o infinitamente pequeno) com a teoria da relatividade (que se aplica o mundo macroscópico), o que não tem sido possível até agora.
Nesse sentido há várias teorias a incubar, ditas de gravitação quântica, tais como a teoria das cordas, que apresenta como partícula mais elementar não um ponto mas uma corda e trabalha em espaços com 10 ou mais coordenadas, ou a teoria quântica de laços, que tem como “partícula elementar” um laço do espaço-tempo.
As quatro forças ou interacções fundamentais estão todas unificadas numa só.

Tempo de Planck: t = 10-43 s
Este tempo foi determinado utilizando as três constantes: c (velocidade da luz), da Teoria da Relatividade; G (constante de gravitação universal), da Física Clássica e h (constante de Planck), da Mecânica Quântica. Jogando com as várias grandezas é possível obter este valor:

tPl = (Gh/c5)1/2

Para quem quiser ter o gozo de calcular o tempo de Planck, aqui deixo os valores das constantes:

G = 6,674 x 10-11 m3 kg-1 s-2
h = 6,626 x 10-34 m2 kg s-1
c = 3 x 108 m s-1

Eu fiz as contas e deu certo!!!
Ao juntar representantes das três teorias, este ponto marca o instante para trás do qual elas deixam de ter validade. Por isso nada se sabe do que se passa para trás do tempo de Planck.

Era da Grande Unificação (GUT): 10-43 s < t < 10-36 s
Esta era começa com a força da gravidade a separar-se das outras três que se mantêm unificadas, satisfazendo às teorias da grande unificação (GUT). Assim temos duas forças a controlar o Universo: a gravidade e a força das GUT.

Forças Fundamentais: Gravidade, Forte, Fraca e Electromagnética

Era Electrofraca: 10-36 < t < 10-12 s
Embora o nevoeiro conceptual comece a clarear, estamos num terreno bastante instável, a partir do qual se podem inferir algumas conjecturas. O universo estava muito quente (1032 K). O espaço estaria cheio de um gás efervescente de gravitões e de bosões  portadores da força GUT. Não deveria haver ainda uma distinção clara entre quarks e leptões, sendo provável que cada uma destas partículas fosse um híbrido das duas. 
Três acontecimentos são de destacar nesta era.

a) Separação da força forte
A era da GUT termina quando a energia ambiente é tal que a força forte se consegue desenvencilhar das outras que continuam associadas formando a chamada força electrofraca.


b) Inflação
Quando o Universo tinha 10-35 s (T = 1029 K) deve ter ocorrido a Inflação (10-35 a 10-32 s), momento em que o Universo sofreu um dramática expansão da ordem de muitas dezenas. As forças GUT destrançaram-se, dividiram-se em força forte e força electrofraca. Quando a força forte “congelou” (como os cristais de gelo na água) devido ao abaixamento da temperatura, houve a libertação da enorme quantidade de energia, que alimentou a inflação.

Inflação. Este fenómeno foi introduzido para resolver alguns problemas a que o Big Bang clássico não dava resposta.

Pouco depois da Inflação, o calor libertado produziu uma energia que permitiu o aparecimento de partículas e antipartículas. No final da era, houve um novo “congelamento”, uma nova mudança de fase que fez com que a força electrofraca se dividisse na força fraca e na electromagnética. As quatro forças estão finalmente autónomas. Com esta autonomização, os quarks e os leptões adquiriram a sua individualidade.

 c) Bariogénese
No final desta era há, sem se saber por que razão, ligeiramente mais protões do que antiprotões: 1 parte por 1 milhar de milhão (1/109). É deste excesso que resulta toda a matéria que forma o Universo. A palavra significa "génese de bariões", neste caso protões.


Era dos Quarks: 10-12 < t < 10-6 s
A partir de 10-10 s, a temperatura caiu o suficiente para que os quarks se associassem para formar hadrões (conjunto de três quarks) e mesões (conjunto quark-antiquark). Os fotões estão continuamente a criar pares de partículas-antipartículas, que ao encontrarem-se se aniquilam originando fotões de altas energias, os raios-gama. Os bariões instáveis acabam por decair nos dois bariões mais leves e estáveis, os nossos conhecidos protão e neutrão.
Por outro lado, a temperaturas do Universo atingiu valores que já não permitiam que os hadrões e anti-hadrões fossem materializados e depois aniquilados. Assim, esta fúria assassina e criativa continuou até o Universo arrefecer de modo a que os fotões já não têm energia suficiente para criar mais pares de partículas e antipartículas.
O universo apresentava-se então como um caldo muito quente conhecido por plasma quark-gluão, uma salada de quarks, leptões, fotões (partícula mediadora da força electromagnética), bosões W e Z (partículas mediadoras da força fraca) e os gluões (partículas mediadoras da força forte). Sabemos que existiram estas “espécies” pois os aceleradores de partículas recriaram já estas condições no laboratório, provando a ocorrência destes componentes.


Plasma Quark-gluão realizada no laboratório
Fonte: Les Dossiers de la Recherche 23, p. 32-33
1 – Dois núcleos de Ouro foram atirados a elevadas velocidades um contra o outro. Parecem achatados por causa dos efeitos relativísticos decorrentes das velocidades elevadas.
2 – Os núcleos interpenetram-se, desorganizando-se.
3 – Uma parte da sua energia dá origem ao aparecimento de partículas, libertando muito calor.
4 – Quarks e gluões são libertados formando um plasma quark-gluão.
5 e 6 – À medida que o meio arrefece, os quarks dissociam-se dando origem a milhares de partículas.

No final desta era, houve um novo “congelamento”, uma nova mudança de fase que fez com que a força electrofraca se dividisse na força fraca e na elctromagnética. As quatro forças estão finalmente autónomas. Com esta autonomização, os quarks e os leptões adquiriram a sua individualidade.


Era Hadrónica: 10-6 < t < 1 s
A matéria consistia em alguns protões e neutrões nadando num mar de leptões. Cessou a aniquilação e materialização dos mesões. Deu-se um desacoplamento dos neutrinos que, ao deixarem de estar associados aos electões, seguiram finalmente o seu caminho em liberdade. Esta “Radiação de Neutrinos de Fundo” , embora diferente, segue um esquema análogo ao da Radiação Cosmológica de Fundo. Esta radiação ainda não foi detectada não só porque o seu espectro é pouco intenso, mas também porque os neutrinos praticamente não interagem com a matéria.


Era Leptónica: 1 < t < 10 s
A esmagadora maioria dos hadrões e anti-hadrões aniquilou-se mutuamente deixando o Universo cheio de leptões, particularmente os mais leves, que podiam ser criados pela energia ambiente. Contudo, o seu reinado foi curto pois aos 10 s, também os leptões e antileptões se aniquilaram e já não havia energia suficiente para os criar.
Um pequeno excesso de electrões salvou-se daquele massacre, passeando-se por entre os neutrões e protões e um mar de radaição.


Era da Radiação (ou dos Fotões):  10 s  < t < 380 000 anos
Com a maior parte das partículas aniquiladas, o Universo tornou-se um mar de radiação, onde os fotões predominavam largamente.
Acontece um fenómeno curioso: é que os fotões, apesar da sua esmagadora maioria, não conseguiam libertar-se da suas interacções com os electrões. Chocavam continuamente com eles, deslocando-se de um modo aleatório ao sabor das colisões. Assim sendo, apesar da radiação inundar tudo, não era possível seguir os raios de luzes por estes se embrulharem no meio dessa radiação. Daí que o Universo se apresentasse totalmente opaco, pois os fotões não tinham trajectórias lineares. Imagine-se em dia de forte nevoeiro, as luzes dos automóveis não conseguem iluminar mais de meia dúzia de metros: é que os fotões de luz são “aprisionadas” pelas gotículas do nevoeiro e obrigados a seguir trajectórias erráticas. Assim aconteceu nesses tempos afastados do Universo. 
Também nesta era podemos destacar alguns fenómenos
  
a) Nucleossíntese Cosmológica: 3 < t < 15 minutos
A partir dos 3 minutos, os protões e neutrõe começaram a associar-se, mas a energia ainda era muito elevada, cortando as ligações mútuas, deixando-os de novo isolados. Essencialmente o Universo é um enorme reactor de fusão (nuclear) contínua. Contudo, a temperatura baixou de tal modo que já não havia energia suficiente para romper as ligações protão-neutrão. Assim surgiram os primeiros núcleos atómicos, por adição de protões e neutrões num mecanismo chamado nucleossíntese cosmológica. A matéria começava a dar os primeiros passos para se tornar dona da situação.
Quando esta era termina, está definida a composição química do Universo.
  
b) Era da Recombinação: 10 000 < t < 380 000 anos
Durante este tempo, os protões e os neutrões formam os núcleos atómicos. E, pouco a pouco, os electrões vão-se associando a eles para formar átomos, ficando alguns livres de tal modo que nem os átomos acabam por se formar nem os fotões aprisionam definitivamente os electrões.  Inicialmente tratou-se de um bailado dos electrões ora interagindo com os fotões ora associando-se aos núcleos.

Apesar de se situar a Recombinação à volta dos 380 000 anos, este gráfico mostra a sua complexidade: Logo aos 18 mil anos, o Hélio captura um dos seus dois electrões. Por volta dos 100 mil anos acontece a captura pelo Hélio do seu segundo electrão. E só  entre os 250 e 380 mil anos é que o Hidrogénio captura o  seu único electrão..Este escalonamento no tempo ocorre porque a energia que prende os electrões aos núcleos é variável e portanto não acontecem todos ao mesmo tempo. 

No final, o arrefecimento, diminuindo a energia dos fotões, vê surgir os átomos, pois os electrões livres associam-se definitivamente aos núcleos. É neste momento, com a temperatura a 3000 K, que tem origem a radiação cosmológica de fundo. Com a libertação dos fotões, o Universo deixa de ser opaco e torna-se transparente. Os fotões passam a a deslocar-se em linha recta, sendo assim possível seguir a sua trajectória.


Era da Matéria: t > 380 000 anos
a) Era das Trevas: 380 000 anos < t < 800 Manos
Apesar de transparente, o Universo torna-se escuro, mergulhando numa era das trevas porque não há corpos brilhantes, pois as galáxias ainda não se formaram; os átomos andam perdidos no espaço escuro e frio.
É nesta era que se formaram os primeiros buracos negros que vão jogar um papel importante no aparecimento das galáxias. A geração de energia por eles causada vai dissociar os electrões dos átomos. É o tempo da reionização. A matéria neutra volta a estar ionizada.

Evolução Universo destacando a era das Trevas e a da Reionização


E, embora não se saiba ainda bem como, também a matéria escura deve ter tido uma importância crucial.
Uma questão importante é saber quais foram as primeiras estruturas que se formaram depois da era dos átomos: as estrelas ou as galáxias.

b) Formação das Estruturas: t > 800 Manos
Pouco a pouco o Universo vai-se enchendo de galáxias e estrelas e o “céu” torna-se brilhante e luminoso. A evolução continua com o aparecimento das estrelas de várias gerações e de galáxias que evoluem como berçários de estrelas.

Uma das galáxias mais antigas: teria o Universo pouco mais de 800 Manos (z = 6,34). O mais espectacular é ser um dos maiores berçários ou maternidades do Universo.

c) Aceleração da Expansão: t = 9 Ganos
Recentemente observou-se um fenómeno inesperado. Por volta dos 9 Ganos, a expansão do Universo começou a acelerar. As causas não são conhecidas. Mas fala-se de uma misteriosa energia escura de gravidade negativa (repele em vez de atrair) que actua por um processo que terá a ver com a “antiga” enorme explosão de energia que foi a Inflação, ocorrida nos primeiros momentos do Universo.