Antes de começar: um recado ao leitor

No fim de um dia de trabalho, muitos de nós saímos por um momento ao ar livre. Talvez estejamos indo para o ponto de ônibus, levando o lixo para fora ou esperando um turno começar. Às vezes, sem querer, olhamos para cima. Lá está a Lua, ou uma única estrela brilhante, ou, numa noite de sorte, um céu inteiro delas. E às vezes, nesse instante de silêncio, uma pergunta antiga volta à cabeça: de onde veio tudo isso?

Este livro tenta responder a essa pergunta com calma, uma noite de cada vez. Ele conta a história de como o universo começou, tal como as pessoas a entendem hoje: como ele já foi extremamente quente e denso, como vem se expandindo e esfriando há cerca de 13,8 bilhões de anos, como se formaram os primeiros átomos, as primeiras estrelas e as primeiras galáxias e como, muito mais tarde, surgiram o Sol, a Terra e os átomos do nosso próprio corpo. Também conta, de forma mais breve, como as pessoas descobriram essas coisas. Muitas das grandes descobertas foram feitas por gente no trabalho: uma mulher contratada para medir estrelas em chapas de vidro, dois engenheiros tentando eliminar um ruído de uma antena, um professor de física desenvolvendo suas ideias com lápis e papel.

A história é contada ao longo de quinze noites, e cada capítulo é uma noite. Todo capítulo começa com um dia de trabalho de Noor, uma astronauta que está passando seis meses numa estação espacial bem acima da Terra. O trabalho dela é cheio de horários, listas de verificação, pequenos consertos e longas horas, como muitos empregos aqui embaixo. Alguma coisa no seu dia leva a uma pergunta, e essa pergunta leva à história da noite. Antes de dormir, Noor manda uma mensagem curta para o irmão mais novo, Sami, que dirige um caminhão de entregas à noite e lê as mensagens dela no intervalo. Noor, Sami e a tripulação da estação são pessoas imaginadas, e a estação não é real, mas a vida que eles levam é muito parecida com a vida de astronautas de verdade.

Cada capítulo termina com alguns equívocos comuns: coisas em que muita gente acredita sobre o universo, ou sobre a vida no espaço, e que não estão bem certas. Eles não estão ali para fazer ninguém se sentir bobo. Quase todo mundo já acreditou em alguns deles em algum momento, inclusive muitos cientistas antes de os fatos serem conhecidos. Examinar um equívoco de perto costuma ser o caminho mais fácil para entender o que é de fato verdade.

Como ler estas noites

Você não precisa ter nenhuma formação científica para ler este livro. Cada palavra nova é explicada na primeira vez em que aparece, e as explicações usam coisas do dia a dia: pão crescendo no forno, uma sirene que passa, um copo de água, um longo turno que termina ao amanhecer. Se alguma parte parecer difícil, tudo bem continuar lendo. Muitas vezes, a noite seguinte vai deixá-la mais clara.

Cada capítulo leva cerca de vinte minutos para ser lido, e os capítulos foram pensados para ser lidos em ordem, um por noite, como uma série de histórias de ninar para adultos. As primeiras noites reúnem as pistas, e as últimas as usam. Mas não há pressa. Se você ler dois capítulos num fim de semana tranquilo e nenhum durante uma semana corrida, o universo vai esperar por você. Ele já está esperando há muito, muito tempo.

Os números deste livro são arredondados, e a maioria vem acompanhada da expressão “cerca de”. Os astrônomos medem muitas coisas com grande precisão, mas, para uma história contada à noite, um número redondo é mais fácil de guardar. Onde algo ainda não é conhecido, o livro diz isso com franqueza. Ainda há muita coisa que ninguém entende sobre o começo do universo, e algumas das perguntas mais interessantes continuam em aberto.

Por fim, talvez você goste de olhar para cima de vez em quando enquanto lê. Não é preciso ter um telescópio nem estar numa montanha escura. Uma janela, uma porta ou uma caminhada curta depois do trabalho bastam. A luz que você vê nessas noites faz parte da mesma história que este livro conta.

Agora, o primeiro dia de trabalho na estação está quase no fim. Noor está cansada, sua cabeça parece estranha na ausência de peso, e as estrelas estão surgindo do lado de fora da janela. Vamos acompanhá-la na primeira noite.

Capítulo 1: Uma pergunta no escuro

Noite 1: A primeira noite no saco de dormir

O primeiro dia de trabalho de Noor na estação espacial começou muito cedo, bem antes de ela chegar à estação. Ela acordou num quarto pequeno em terra, tomou um café da manhã tranquilo, vestiu o macacão de voo e subiu com os colegas de tripulação para a cápsula no alto de um foguete enorme. Algumas horas depois de os motores se acenderem, a cápsula se acoplou à estação, as escotilhas se abriram, e as pessoas que já viviam lá receberam a nova tripulação com rostos cansados e felizes.

O resto do dia foi cheio de pequenas tarefas cuidadosas. Noor aprendeu onde ficava guardado o equipamento de emergência. Treinou o caminho até sua cabine de dormir, puxando-se pelos corrimãos, porque os pés já não tinham nenhuma utilidade para o chão. Desfez uma bolsa com roupas, uma escova de dentes e um caderno, e prendeu cada objeto, porque qualquer coisa deixada solta no ar acabaria flutuando para longe. À noite, sua cabeça parecia cheia e pesada, como costuma acontecer nas primeiras horas de ausência de peso, e suas mãos estavam um pouco desajeitadas. Tomás, o comandante, disse a ela que aquilo era normal. Ade, o cientista, contou que na primeira noite dele tinha perdido três canetas em dez minutos.

No fim do dia, Noor foi até a pequena sala redonda com a janela grande. A janela é feita de várias placas grossas, e através dela Noor podia ver a curva da Terra deslizando lá embaixo. Oceano azul, nuvens brancas e depois a linha fina e brilhante do ar na borda do planeta. Enquanto ela olhava, a estação passou para o lado noturno da Terra. O chão escureceu, e acima dele o céu ficou cheio de estrelas.

No lado escuro do planeta, ela via as luzes das cidades espalhadas pela terra como açúcar derramado e, ao longe, o lampejo branco de uma tempestade dentro das nuvens. Menos de uma hora depois, uma linha fina de laranja e azul apareceu na borda da Terra, e o Sol nasceu de novo. Tomás chegou flutuando ao lado dela e disse que, dali em diante, ela veria cerca de dezesseis nasceres e dezesseis pores do sol a cada vinte e quatro horas. A estação segue um único relógio, combinado com as equipes em solo, explicou ele, para que a tripulação possa dormir, comer e trabalhar num horário regular, mesmo quando o Sol nasce a cada hora e meia.

Mais tarde, fechada no saco de dormir, que fica preso à parede de uma cabine do tamanho de um armário estreito, Noor leu uma mensagem do irmão mais novo. Sami dirige um caminhão de entregas à noite. Ele lê as mensagens no intervalo, por volta das três da manhã, parado ao lado de uma estrada tranquila. A mensagem dele era curta. “Que bom que você chegou bem. Tenho uma pergunta para você, já que está mais perto do céu do que qualquer um de nós. Como tudo começou? Tudo mesmo, quero dizer. O universo inteiro.”

Noor sorriu no escuro. Era uma pergunta muito grande para uma cabine muito pequena. Mas ela tinha em mente quinze noites, espalhadas pelos seus seis meses na estação, e decidiu responder devagar, uma história por noite. Este livro acompanha essas noites. Se quiser, você pode lê-lo do mesmo jeito: um capítulo por noite, depois do seu próprio dia de trabalho.

A pergunta mais antiga

A pergunta de Sami talvez seja a mais antiga que as pessoas já fizeram. Muito antes de existirem telescópios, muito antes de existir a escrita, as pessoas olhavam para o céu noturno e se perguntavam de onde ele tinha vindo. Quase todas as culturas que conhecemos contaram histórias sobre o começo do mundo. Algumas começavam com água, outras com um ovo, outras com a escuridão, outras com um grande silêncio. Essas histórias eram contadas em volta de fogueiras, no fim de longos dias de trabalho nos campos e no mar, por pessoas tão curiosas quanto nós.

Essas histórias cumpriam muitas funções importantes. Davam às pessoas uma noção do seu lugar no mundo. Explicavam as estações e as estrelas de um jeito que uma criança conseguia lembrar. Levavam valores de uma geração para a seguinte. A ciência não tenta substituir esse tipo de sentido. Ela faz uma pergunta mais estreita: o que podemos aprender sobre o começo observando com cuidado o próprio universo, medindo o que vemos e testando nossas ideias de novo e de novo?

Durante a maior parte da história humana, essa pergunta mais estreita não podia realmente ser feita. As pessoas podiam observar o Sol, a Lua e os planetas com muito cuidado, e muitas culturas fizeram calendários excelentes com o que viam. Mas, para estudar o começo do universo inteiro, os astrônomos precisavam de duas coisas que só passaram a existir há cerca de um século: telescópios grandes o bastante para ver galáxias muito distantes e uma teoria da gravidade forte o bastante para descrever o universo como um todo. Essa teoria, a teoria da relatividade geral de Albert Einstein, surgiu em 1915. Os grandes telescópios chegaram mais ou menos na mesma época. Só então a velha pergunta pôde se tornar uma pergunta científica.

Essa pergunta mais estreita acabou se mostrando muito poderosa. Nos últimos cem anos, mais ou menos, os astrônomos aprenderam mais sobre o universo primitivo do que em todos os séculos anteriores. Fizeram isso devagar, com trabalho paciente. Muitas das descobertas deste livro foram feitas por pessoas que estavam simplesmente fazendo o seu trabalho: medindo estrelas em chapas fotográficas, consertando um ruído numa antena, conferindo números tarde da noite. Os dias de trabalho delas se somaram numa história que nenhuma delas poderia ter contado sozinha.

É também uma história com lacunas. Algumas partes são muito bem conhecidas e foram testadas de muitas maneiras diferentes. Outras ainda estão em aberto, e os cientistas discutem sobre elas. Nestas quinze noites, vou tentar deixar claro o que é uma coisa e o que é outra. Quando algo for conhecido, vou dizer. Quando algo ainda não for conhecido, também vou dizer. Não saber não é um fracasso. É simplesmente o lugar onde começa o próximo dia de trabalho.

A resposta curta

Antes da história longa, aqui vai a resposta curta, aquela que cabe no verso de um cartão. Há cerca de 13,8 bilhões de anos, o universo era extremamente quente e extremamente denso. Tudo o que hoje está espalhado pelo céu, cada estrela e cada galáxia, estava comprimido num estado mais quente do que o centro de qualquer estrela. Desde então, o universo vem se expandindo e esfriando. À medida que esfriava, formaram-se as primeiras partículas, depois os primeiros átomos, depois as primeiras estrelas e galáxias e, muito mais tarde, o Sol, a Terra e nós.

Essa é a ideia principal. Todo o resto deste livro a completa. O número 13,8 bilhões de anos é tão grande que fica difícil senti-lo. Uma maneira de começar é compará-lo com uma vida humana. Se você vivesse até os oitenta anos, a idade do universo equivaleria a mais de cento e setenta milhões de vidas suas. Outra maneira, que vamos usar na última noite, é espremer toda a história num único dia de trabalho e ver o que acontece a cada hora.

Você vai ouvir muitas vezes esse estado inicial quente ser chamado de Big Bang. É um nome famoso, e vamos usá-lo neste livro, mas é só um nome. Ele não quer dizer que houve um estrondo, e não quer dizer que algo explodiu numa sala vazia. Numa noite mais adiante, vamos conhecer o homem que deu esse nome e veremos que ele próprio não acreditava na ideia. Por enquanto, basta lembrar que Big Bang significa o universo primitivo, quente e denso, e a sua expansão.

Por que um universo que se expande também deveria esfriar? Talvez você já tenha sentido a resposta nas próprias mãos. Quando você usa um spray por algum tempo, a lata fica fria, porque o gás de dentro se espalha ao escapar. Quando um gás é comprimido, ele esquenta, e é por isso que uma bomba de bicicleta fica quente embaixo depois de muito bombear. O universo segue a mesma regra numa escala imensa. À medida que o espaço foi se esticando ao longo de bilhões de anos, tudo o que há nele se espalhou e esfriou, de um calor além de qualquer coisa existente na Terra até o frio profundo do espaço de hoje.

A resposta curta também deixa de fora uma coisa importante. Ela não nos diz o que causou o começo, nem se havia alguma coisa antes dele. Essas perguntas estão entre as que continuam em aberto. A ciência do universo primitivo descreve o que aconteceu depois do primeiro instante, e descreve isso muito bem. Sobre o primeiro instante em si, os cientistas dizem com honestidade que ainda não sabem.

Como alguém pode saber?

A pergunta seguinte de Sami chegou na noite seguinte, e era uma boa pergunta. “Como alguém pode saber o que aconteceu há bilhões de anos? Ninguém estava lá.” É a pergunta que toda pessoa cuidadosa deveria fazer. Não podemos viajar de volta no tempo, e não podemos repetir o universo num laboratório. Então, como os astrônomos sabem alguma coisa sobre o começo dele?

A resposta é que o passado deixou pistas, muito parecidas com as pistas que uma mecânica lê quando um caminhão chega à oficina. Uma boa mecânica consegue olhar os freios gastos, um arranhão na pintura e a lama nos para-lamas e dizer muita coisa sobre por onde o caminhão andou, mesmo sem ter estado na cabine. Os astrônomos fazem algo parecido com o universo. Eles olham para o que existe agora e perguntam que história teria produzido isso.

Há três pistas principais, e as próximas noites vão contar cada uma delas, uma de cada vez. A primeira pista é que as galáxias, as enormes famílias de estrelas que preenchem o universo, estão se afastando umas das outras. Se estão se afastando agora, devem ter estado mais próximas no passado. A segunda pista é um brilho fraco de luz que vem de todas as direções do céu, a luz mais antiga que existe, que sobrou de uma época em que o universo inteiro era quente e brilhante. A terceira pista é a mistura dos tipos mais leves de átomos, o hidrogênio e o hélio, que são encontrados exatamente nas quantidades que um universo primitivo quente teria produzido.

Qualquer uma dessas pistas, sozinha, talvez pudesse ser explicada de outro jeito. O que convenceu a maioria dos cientistas foi que as três apontam para a mesma história e que medições posteriores, feitas com instrumentos cada vez melhores, continuaram concordando com ela. É assim que boa parte da ciência funciona. Não é uma prova espetacular, mas muitas verificações pacientes que se encaixam.

Um tipo de verificação é especialmente convincente. É quando uma ideia prevê algo que ninguém viu ainda e, mais tarde, alguém encontra essa coisa. Se uma mecânica diz: “Por causa deste desgaste, espero encontrar um parafuso solto atrás daquele painel”, e o parafuso está lá, você passa a confiar mais nela. Na história do universo primitivo, isso aconteceu mais de uma vez. A luz mais antiga, por exemplo, foi prevista em 1948 e encontrada por acaso em 1965, como veremos numa noite mais adiante.

Existe um quarto ajudante que torna tudo isso possível, e é a própria luz. A luz leva tempo para viajar. Quando olhamos para algo muito distante, nós o vemos como ele era quando a luz saiu de lá. Isso quer dizer que um telescópio também é uma espécie de máquina do tempo, embora só possa olhar e nunca visitar. A luz será o assunto da história da próxima noite.

Um livro de quinze noites

Este é o desenho da viagem que temos pela frente. Nas próximas noites, vamos seguir a luz como mensageira e descobrir como os astrônomos perceberam que o universo é muito maior do que qualquer pessoa tinha imaginado. Veremos como eles descobriram que as galáxias estão se afastando e o que significa passar esse filme de trás para a frente. Vamos conhecer a luz mais antiga e aprender o que aconteceu nos primeiros minutos, quando os átomos mais leves foram feitos, e até antes, quando ainda não havia nenhum átomo.

Depois disso, a história volta a andar para a frente. Vamos ver as primeiras estrelas se acenderem depois de uma longa escuridão e entender como as galáxias cresceram. Vamos aprender como os átomos do seu próprio corpo foram feitos dentro das estrelas e como o Sol e a Terra nasceram. Depois vamos nos voltar para os grandes desconhecidos: o estranho empurrão chamado energia escura e as perguntas na própria borda do que conseguimos ver. Na última noite, Noor vai arrumar as malas para a viagem de volta, e vamos olhar a história inteira de uma só vez.

Cada noite tem a mesma forma simples. Primeiro, acompanhamos Noor durante parte de um dia de trabalho na estação. Depois vem a história da noite. Em seguida, voltamos à estação para alguns minutos tranquilos antes de dormir. No fim de cada capítulo, há uma seção curta sobre equívocos comuns: ideias que muita gente tem, muitas vezes por bons motivos, e que não estão bem certas. Tirá-las do caminho é uma das formas mais suaves de aprender.

Você não precisa de nenhuma formação científica para acompanhar este livro. Cada palavra nova será explicada na primeira vez em que aparecer. Se um número parecer grande demais para imaginar, tudo bem. Os astrônomos também não conseguem imaginar de verdade esses números. Eles os usam com cuidado, arredondam quando podem e preservam a capacidade de se maravilhar.

Uma mensagem para Sami

A primeira resposta de Noor ao irmão foi curta, porque ela estava muito cansada. Escreveu: “A versão curta: há cerca de 13,8 bilhões de anos, tudo era quente e muito apertado, e desde então vem se espalhando e esfriando. A versão longa vai levar quinze noites. Dirija com cuidado.”

Antes de ela fechar a mensagem, Ade passou flutuando pela cabine dela a caminho da cama e reparou no caderno na mão de Noor. Quando ela contou sobre a pergunta de Sami, ele riu baixinho e disse que era o melhor tipo de pergunta, porque ninguém conseguiria respondê-la numa só noite. “Quinze noites talvez não bastem”, disse ele. “Mas é um bom começo.”

Depois ela apagou a pequena luz da cabine. A ausência de peso torna o sono estranho no começo. Não há travesseiro empurrando para cima, nem colchão embaixo, e os braços dela flutuavam à sua frente até que ela os enfiou dentro do saco. Lá fora, a estação seguia em frente, dando uma volta na Terra em cerca de noventa minutos, entrando no lado do dia e saindo de novo. Em algum lugar lá embaixo, por volta das três da manhã, Sami estacionaria o caminhão, abriria o celular e leria as palavras dela.

Talvez você esteja lendo isto no fim do seu próprio dia longo. Se puder, saia por um minuto antes de dormir, ou olhe por uma janela, e procure uma estrela. Não é preciso saber o nome dela. Apenas repare que a luz dela viajou um caminho muito longo para chegar até você e que você faz parte do mesmo universo que essa estrela, com a mesma longa história por trás. É aí que a história começa.

Equívocos comuns

Muita gente pensa que os astronautas flutuam porque não há gravidade no espaço. É um erro fácil de cometer, porque as imagens parecem exatamente isso. Mas, na altura da estação, cerca de 400 quilômetros acima do chão, a gravidade da Terra ainda tem cerca de nove décimos da força que tem na superfície. Se você pudesse construir uma torre com essa altura e ficar de pé lá em cima, ainda sentiria quase nove décimos do seu peso normal.

O verdadeiro motivo da flutuação é que a estação e todos que estão dentro dela estão caindo. Estão caindo o tempo todo, em direção à Terra. Mas a estação também se move para o lado muito depressa, a cerca de 28.000 quilômetros por hora. Enquanto ela cai, a superfície curva da Terra vai se afastando por baixo, de modo que a estação nunca chega mais perto. Ela continua caindo em volta do planeta, em vez de cair nele. Como Noor, seus colegas e cada caneta e escova de dentes caem juntos, no mesmo ritmo, nada pressiona nada. É essa sensação que chamamos de ausência de peso.

Muita gente também pensa que o Big Bang foi uma explosão que aconteceu num ponto do espaço vazio, como um fogo de artifício num céu escuro, com tudo voando para fora a partir de um centro. Esse é provavelmente o equívoco mais comum sobre o começo do universo. Até onde sabemos, não havia nenhum espaço vazio do lado de fora esperando para ser preenchido, e não havia centro. O estado inicial quente e denso estava em toda parte ao mesmo tempo, e é o próprio espaço que vem se esticando desde então. Essa ideia não é fácil, e vamos voltar a ela com calma nas próximas noites.

Por fim, algumas pessoas acreditam que os cientistas afirmam saber tudo sobre o começo do universo, e outras acreditam que os cientistas não sabem quase nada e estão só chutando. Nenhuma das duas coisas é verdade. Algumas partes da história, como a expansão e a luz mais antiga, são medidas com grande cuidado e verificadas de muitas maneiras. Outras partes, como o primeiríssimo instante e o que a matéria escura e a energia escura realmente são, são honestamente desconhecidas. Uma boa maneira de ler este livro é manter as duas coisas em mente: confiança onde as evidências são fortes e a mente aberta onde não são. Na próxima noite deste livro, vamos começar pelo mensageiro que nos traz todas essas evidências: a luz.