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ago 26

Pode a constante de estrutura fina variar conforme a direção observada no Cosmos?

constantes inconstantes

Constantes inconstantes?

Uma variação espacial na constante de estrutura fina, se comprovada, poderia trazer profundos impactos no estudo de cosmologia.

A Constante de Estrutura Fina (α) pode variar?

A constante de estrutura fina é uma constante física adimensional, ou seja, seu valor não depende do sistema de unidades de medida usado. A fórmula acima a define, com: e = carga do elétron; h = constante de Planck; c = velocidade da luz no vácuo; ε0 = permissividade do vácuo.

A constante de estrutura fina é uma constante física adimensional, ou seja, seu valor não depende do sistema de unidades de medida usado. A fórmula acima a define, com: e = carga do elétron; h = constante de Planck; c = velocidade da luz no vácuo; ε0 = permissividade do vácuo.

Ao longo dos anos, muitos físicos têm indagado se as constantes fundamentais da Natureza poderiam ter tido valores diferentes quando o Universo era mais jovem. Se isto for verdade, as evidências devem estar disponíveis para medirmos dentro do próprio Universo observável, onde podemos observar objetos distantes exatamente como os mesmos eram no passado remoto.

Algo que deveria ser óbvio é se o número conhecido como constante de estrutura fina já apresentou valores distintos [ou não] na história do Universo. A constante de estrutura fina (α) determina o quão forte se unem os átomos a seus elétrons e por isso é um fator importante na freqüência com que os átomos absorvem a luz.

Se a constante de estrutura fina (α) foi efetivamente diferente no início do Universo, deveríamos ser capazes de observar as evidências disto na forma em que as nuvens de gás distante estão a absorver a luz em seu caminho até aqui originada em objetos cósmicos extremamente distantes, tais como os quasares.

O Observatório Keck em Mauna Kea, Havaí, é composto de dois telescópios gêmeos, cada um com um espelho de 10 metros.

O Observatório Keck, no pico Mauna Kea, 4145 metros de altura, no Havaí, é composto de dois telescópios gêmeos, cada um com um espelho de 10 metros. O observatório opera no espectro visível e no infravermelho próximo

Os dados do Keck no Havaí

Assim, foi exatamente esse tipo de evidência que emergiu na última década a partir do estudo dos espectros de absorção realizados com o telescópio Keck, no Havaí. Estas pesquisas indicaram que a constante de estrutura fina deveria ter sido menor quando o Universo era mais jovem. No entanto, é permitido discordar, afirmando que esta evidência permanece controversa uma vez que há estudos que não confirmaram os resultados apurados via Keck.

O debate acima nos parece tênue em comparação com o significado das novas reivindicações que surgiram agora sobre a constante de estrutura fina (α). Hoje, John K. Webb, da Universidade de South Wales, um dos principais defensores da idéia da variação das constantes da física, apresentou um conjunto de novas medidas fornecidas pelo VLT (Very Large Telescope) do ESO no Chile, que indicam que a constante de estrutura fina (α) foi diferente quando o Universo era mais jovem.

Figura 5: ilustração de todo o céu mostra as direções das medidas usadas por Webb e equipe via observatórios Keck (círculos) e VLT (quadrados). Os triângulos são quasares observados por ambos (Keck e VLT). Crédito: Webb et al. página 5.

Figura 5: ilustração de todo o céu mostra as direções das medidas usadas por Webb e equipe via observatórios Keck (círculos) e VLT (quadrados). Os triângulos são quasares observados por ambos (Keck e VLT). Crédito: Webb et al. página 5.

Mas, espera aí! Embora os dados do telescópio Keck indiquem que a constante de estrutura fina (α) pode ter sido menor em um momento da história do Cosmos, paradoxalmente, os novos dados do Very Large Telescope parecem indicar o contrário, ou seja, que a constante de estrutura fina foi maior. Isto é particularmente significativo ao considerarmos que o Keck, no Havaí, observa o céu do hemisfério norte, enquanto o VLT, situado no deserto de Atacama no Chile, investiga o céu meridional.

Isto significa que em uma única direção, a constante de estrutura fina (α) já foi menor e justamente na direção oposta foi maior. Aqui, onde vivemos, no centro do Universo observável, α = 1/137,03599976…

Este é um resultado assombroso. Um dos maiores obstáculos enfrentados pelos cosmologistas é explicar a razão pela qual as constantes fundamentais da natureza parecem ser finamente ajustadas para suportar a vida. Se a constante de estrutura fina (α) fosse muito diferente, estrelas e átomos não teriam se formado e o Universo como o conhecemos não existiria.

Lembramos que John D. Barrow e John K. Webb escreveram para a Scientific American e afirmaram:

Nesse caso, não haveria nenhuma explicação para muitas de nossas constantes numéricas, fora o fato de que elas constituem uma rara combinação que permite o surgimento da vida. O Universo observável seria um entre muitos oásis isolados, cercado por uma infinidade de espaço estéril – um lugar surreal com forças desconhecidas da Natureza, onde partículas como o elétron ou estruturas como os átomos de carbono ou as moléculas de DNA não poderiam ocorrer. Se alguém se aventurasse nesse mundo externo, simplesmente deixaria de existir.

Variações em α de algumas poucas partes por milhão deveriam ter um efeito irrisório sobre a expansão do Universo. Isso porque o eletromagnetismo é, em escalas cósmicas, muito mais fraco que a gravidade. Contudo, embora mudanças na constante de estrutura fina não afetem significativamente a expansão do Universo, a expansão afeta α. Desequilíbrios entre a energia do campo elétrico e a do campo magnético provocam mudanças em α. Durante as primeiras dezenas de milhares de anos da história cósmica, a radiação prevaleceu sobre as partículas carregadas e manteve o equilíbrio entre esses dois campos. Conforme o Universo se expandiu, a radiação foi se diluindo, e a matéria, com suas partículas, tornou-se o constituinte dominante. O campo elétrico tornou-se mais forte do que o campo magnético, e a começou a aumentar muito vagarosamente, como função logarítmica do tempo. Cerca de 6 bilhões de anos atrás, a energia escura passou a preponderar e acelerou a expansão, o que tornou difícil a propagação pelo espaço de quaisquer influências físicas. Assim, α voltou a ficar quase constante. O padrão assim previsto é consistente com nossas observações. As linhas espectrais dos quasares representam o período da história cósmica dominado por matéria, quando a estava aumentando. Os resultados de laboratório e os de Oklo correspondem ao período dominado pela energia escura, em que α tornou-se constante. O estudo de elementos radioativos em meteoritos é particularmente interessante nesse campo, pois testa a transição entre os dois períodos.

Ainda não há teoria que explique o motivo pelo qual as constantes da física tomam exatamente esses valores que aqui na Terra medimos, deixando os cientistas perdidos.

Agora, a implicação deste novo estudo, para Webb e colegas, é que a constante de estrutura fina varia continuamente através do espaço e está particularmente ajustada para suportar a vida neste recanto do Cosmos: a zona habitável do Universo. Portanto, é plausível para os cientistas envolvidos neste estudo que, muito além do Universo observável, esta constante possa ter valores diferentes.

Se isto for comprovado teremos indubitavelmente um novo rebuliço na Cosmologia. Sabemos que Webb não é avesso à controvérsia, pois ele teve que lutar por muitos anos com unhas e dentes para que seus dados e suas idéias sejam aceitos. Mas desta vez, com novas informações tão radicais, é possível que o debate se torne ainda mais feroz.

Por enquanto, vamos aproveitar e relaxar, acompanhar a discussão e assistir ao espetáculo.

Fontes e referências

  1. MIT Technology Review: Fine Structure Constant Varies With Direction in Space, Says New Data
  2. Scientific American: Inconstant Constants por John D. Barrow e John K. Webb
  3. Arxiv.org/abs/1008.3907: Evidence For Spatial Variation Of The Fine Structure Constant
  4. Arxiv.org/abs/1008.3957: Manifestations Of A Spatial Variation Of Fundamental Constants On Atomic Clocks, Oklo, Meteorites, And Cosmological Phenomena
  5. Further evidence for cosmological evolution of the fine structure constant por John K. Webb et al., Physical Review Letters, vol. 87, artigo no 091301, 27 de agosto de 2001.
  6. Arxiv.org/abs/astro-ph/0107512: A Simple Varying-alpha Cosmology por H.B. Sandvik, J.D. Barrow e J. Magueijo
  7. The constants of nature: from alpha to omega (livro), John D. Barrow, Pantheon, Nova York, 2002.
  8. Are the laws of nature changing with time? por J. K. Webb, Physics World, vol. 16, parte 4, págs. 33-38, abril de 2003.
  9. Limits on the time variation of the electromagnetic fine-structure constant in the low energy limit from absorption lines in the spectra of distant quasars por Srianand et al., Physical Review Letters, vol. 92, artigo no 121302, 26 de março de 2004.
  10. AstroPT: Leis da Natureza poderão ser diferentes

._._.

1 menção

  1. O “código de barras” mede o eletromagnetismo de uma galáxia longínqua e confirma parâmetros da “Constante de Estrutura Fina” » O Universo - Eternos Aprendizes

    […] da Universidade de Tecnologia de Swinburne e da Universidade de Cambridge confirmaram que as forças eletromagnéticas em uma galáxia distante têm a mesma intensidade que aqui na […]

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