Capítulo 8: Antes de existirem átomos

Noite 84: O simulado

O alarme do dia 84 estava planejado, mas a tripulação não sabia o minuto exato. O solo tinha avisado que haveria um simulado de emergência em algum momento da tarde. Só isso. Noor estava na metade de uma sessão na bicicleta de exercício quando o sinal soou pela estação, alto e constante, seguido da voz calma de Tomás anunciando que aquilo era um simulado.

Todos sabiam o que fazer, porque tinham treinado aquilo muitas vezes em terra. Noor soltou os sapatos da bicicleta, deu impulso em direção ao lugar onde ficavam guardadas as máscaras de emergência e puxou uma sobre o rosto. Ade já estava lá. Tomás leu os primeiros passos do procedimento de emergência, e cada um respondeu com a sua parte. Eles conferiram as leituras, fecharam certas escotilhas na ordem certa e foram para os lugares aonde iriam numa emergência real, perto da nave que poderia levá-los para casa.

O solo acompanhou e cronometrou tudo. Depois de cerca de uma hora, o simulado terminou, e a tripulação teve uma conversa curta com o solo sobre o que tinha corrido bem e o que poderia ser mais rápido. Uma escotilha tinha demorado mais do que deveria para fechar. Uma página da lista de verificação estava fora de ordem. Essas pequenas coisas foram anotadas, para que pudessem ser corrigidas antes de chegarem a importar.

Noor sempre tinha achado que os simulados eram uma das partes mais comuns de qualquer trabalho. Pessoas em escritórios, fábricas, escolas e hospitais na Terra também treinam como sair do prédio quando um alarme toca. Descem as escadas, se reúnem num estacionamento ou num pátio e esperam enquanto alguém faz a contagem. Na maior parte das vezes, parece meio bobo. Mas o objetivo de um simulado é tornar os passos certos tão familiares que, num dia ruim de verdade, ninguém precise pensar neles.

O simulado foi um sucesso, mas deixou Noor acordada naquela noite. Não era exatamente medo. Era a sensação de que o corpo dela tinha se preparado para algo que nunca veio. Ela ficou deitada no saco de dormir, preso à parede da sua pequena cabine, ouvindo o zumbido dos ventiladores. A mente dela voltava, passo a passo, pelo procedimento. E então, porque a mente dela gostava de voltar, foi mais para trás, além do simulado, além do dia, até as perguntas em que ela vinha pensando nessas noites.

Sami tinha escrito mais cedo naquela noite. Tinha feito uma pergunta que ela não conseguia responder depressa: “Se você continuar voltando no tempo, para antes dos primeiros minutos, o que encontra? E existe um ponto em que ninguém sabe mais?” Era uma boa pergunta para uma noite sem sono. A resposta honesta tem duas partes. Voltando, encontramos um mundo mais estranho e mais simples do que qualquer um que conhecemos. E, sim, existe um ponto em que ninguém sabe.

Voltando ainda mais

Na noite anterior, vimos os primeiros minutos, quando prótons e nêutrons se juntaram para fazer hélio. Antes disso, o universo era ainda mais quente, e prótons e nêutrons se moviam livremente. Esta noite vamos voltar ainda mais. Quanto mais voltamos, mais quente e mais denso tudo fica. E, à medida que a temperatura sobe, as coisas que costumamos considerar sólidas e permanentes começam a se desfazer.

Eis um jeito de imaginar isso. Pense em gelo numa panela. Quando você o aquece, ele vira água. Aqueça mais, e a água vira vapor. As mesmas moléculas estão lá, mas se comportam de modo diferente a cada temperatura. Agora imagine aquecer o vapor muito além de qualquer coisa possível numa cozinha. As moléculas de água se quebram em átomos de hidrogênio e oxigênio. Aqueça mais, e os elétrons são arrancados dos átomos. Aqueça ainda mais, e até os núcleos se partem em prótons e nêutrons. O universo primitivo passou por todas essas etapas na direção oposta, da fase mais quente para a mais fria, à medida que se expandia e esfriava.

Então, se passarmos o filme de trás para a frente a partir dos primeiros minutos, chegamos a uma época em que o universo era uma sopa espessa de prótons livres, nêutrons, elétrons e luz, todos se movendo a velocidades enormes. Mais para trás ainda, chegamos a uma época em que nem prótons e nêutrons existiam. Eles são feitos de pedaços ainda menores, chamados quarks. Um próton é um pequeno grupo de três quarks, mantidos juntos por uma força tão intensa que, no universo de hoje, os quarks nunca são encontrados sozinhos.

Os elétrons são diferentes. Até onde se conseguiu medir, um elétron não é feito de pedaços menores. Ele parece ser uma das verdadeiras partículas básicas da natureza, como os próprios quarks. Então a lista dos menores blocos de construção da matéria comum é surpreendentemente curta: dois tipos de quarks, que formam prótons e nêutrons, e o elétron.

Quando o universo era extremamente jovem, ele era tão quente que os quarks não ficavam presos dentro de prótons e nêutrons. Eles se moviam livremente numa espécie de mistura quente e densa, junto com as partículas que transmitem a força intensa entre eles. Então, quando o universo tinha cerca de um milionésimo de segundo, ele tinha esfriado o bastante para que os quarks se juntassem em grupos de três. Formaram-se os prótons e os nêutrons. A partir daí, eles foram os blocos de construção que os primeiros minutos usariam.

Um milionésimo de segundo parece não ser nada. É muito menos do que uma piscada. Mas, no universo jovem, muita coisa aconteceu em tempos assim curtos, porque tudo acontecia muito depressa. Os físicos às vezes dizem que o universo primitivo não deveria ser medido em segundos comuns, mas no quanto ele tinha esfriado. Cada degrau a menos na temperatura trazia um novo tipo de ordem, enquanto a sopa ia se transformando devagar nas peças do nosso mundo.

Pequenas gotas do calor primitivo

Como alguém pode estudar um tempo tão curto e tão quente? Parte da resposta é que os cientistas conseguem recriar gotinhas dele na Terra. Em grandes máquinas chamadas aceleradores de partículas, os centros de átomos pesados são acelerados até quase a velocidade da luz e depois postos para colidir. Por uma fração minúscula de segundo, num espaço muito menor do que um grão de poeira, a colisão cria temperaturas como as do universo muito jovem.

Nessas gotinhas, os prótons e nêutrons dos átomos que colidem se derretem por um instante nos seus quarks, e a mistura quente se forma. Então, quase na mesma hora, ela esfria e volta a ser partículas comuns, que voam para os detectores em volta da colisão. Estudando o que sai, os cientistas conseguem aprender como essa mistura quente se comporta. Desse modo, um laboratório em funcionamento na Terra se torna uma pequena janela para o primeiro milionésimo de segundo.

Esses experimentos trouxeram surpresas. Muitos físicos esperavam que a mistura quente de quarks se comportasse como um gás rarefeito. Em vez disso, ela se comporta mais como um líquido, e um líquido que flui quase sem nenhuma viscosidade, com mais suavidade do que a água ou qualquer outro líquido da Terra. Isso nos diz algo sobre o universo jovem que ninguém poderia ter adivinhado só pensando. É um bom lembrete de por que os experimentos importam.

Essas máquinas estão entre os maiores instrumentos que as pessoas já construíram. Milhares de engenheiros, técnicos e cientistas trabalham nelas, em turnos, dia e noite. Alguns verificam cabos. Alguns escrevem os programas de computador que organizam as medições. Alguns passam a noite olhando telas e chamam ajuda quando algo parece errado. Como a estação, essas máquinas são operadas por muitas pessoas fazendo trabalhos comuns com cuidado, e juntos esses trabalhos alcançam o começo do tempo.

É importante deixar claro o que isso significa e o que não significa. As máquinas não criam um novo universo, e não são perigosas nesse sentido. Elas criam, por um instante minúsculo, a mesma temperatura do universo primitivo, num espaço muito pequeno. Como as leis da física são as mesmas aqui e lá, o que acontece nesse espaço pequeno nos diz como o universo primitivo se comportava àquela temperatura. Quanto mais para trás tentamos ir, mais alta é a temperatura de que precisaríamos, e em algum ponto ela fica muito mais alta do que qualquer máquina jamais conseguiria alcançar.

Até a época em que se formaram os prótons e os nêutrons, e mesmo um pouco antes, os cientistas têm bastante confiança na história em linhas gerais, porque as temperaturas dessas épocas podem ser testadas dessa maneira. Antes disso, a história fica cada vez menos certa. Os físicos ainda têm boas ideias sobre épocas anteriores e usam as mesmas leis até onde elas podem ser testadas. Mas, quanto mais se aproximam do começo propriamente dito, menos firme fica o chão.

As pessoas que encontraram as partículas espelho

Uma das partes mais estranhas da história desta noite é a antimatéria. Parece coisa de filme de ficção científica, mas é real, e a sua descoberta é um bom exemplo de como a ciência às vezes funciona. Por volta de 1930, um físico estava trabalhando nas equações que descrevem como os elétrons se comportam quando se movem muito depressa. As equações pareciam dizer algo inesperado. Pareciam permitir um gêmeo do elétron, com o mesmo peso, mas com carga elétrica oposta.

No começo, muitos físicos não sabiam o que pensar disso. Talvez fosse só uma característica estranha da matemática. Então, em 1932, um jovem pesquisador que fotografava os rastros deixados por partículas vindas do espaço viu um rastro que se curvava para o lado errado. Era uma partícula parecida com um elétron, mas com carga positiva. O gêmeo era real. Ele recebeu o nome de pósitron. Mais tarde, os cientistas descobriram que todo tipo de partícula tem um gêmeo espelho assim. Juntos, esses gêmeos são chamados de antimatéria.

A antimatéria não é uma história só para físicos. Hoje ela é feita em laboratórios, e alguns hospitais a usam em todos os dias de trabalho. Num tipo de exame médico, o paciente recebe uma quantidade pequena e cuidadosamente controlada de uma substância especial que emite pósitrons dentro do corpo. Quando um pósitron encontra um elétron comum, os dois desaparecem e se transformam num pequeno clarão de energia, e a máquina em volta do paciente detecta esse clarão. Os médicos usam esses exames para ver como partes do corpo estão funcionando. Em algum lugar, esta noite, uma enfermeira ou um técnico no turno da noite pode estar preparando exatamente um exame desses.

Esse sumiço é a chave do enigma desta noite. Quando uma partícula encontra o seu gêmeo de antimatéria, os dois desaparecem e deixam só energia. E, no universo jovem e quente, partículas e seus gêmeos eram feitos a partir de energia e destruídos de novo o tempo todo. Se tivesse havido quantidades exatamente iguais de matéria e antimatéria, então, à medida que o universo esfriava, elas teriam se encontrado e se destruído por completo. Não teria sobrado nada além de luz. Não haveria estrelas, nem planetas, nem pessoas.

Mas alguma coisa sobrou. Por motivos que ainda não entendemos, houve um excedente muito pequeno de matéria, mais ou menos uma partícula a mais para cada bilhão de pares. Quando o grande encontro terminou, os pares tinham se transformado em luz, e o pequeno excedente ficou. Tudo o que vemos hoje, cada estrela e cada galáxia, é feito dessa sobra minúscula. Por que o universo fez um pouco mais de matéria do que de antimatéria é uma das grandes perguntas em aberto da física. Os cientistas estão procurando uma resposta, mas ninguém sabe ainda.

Onde a física de hoje para

Agora chegamos à segunda parte da pergunta de Sami. Existe um ponto em que ninguém sabe mais? Sim, existe. Se continuarmos passando o filme de trás para a frente, além do primeiro milionésimo de segundo, o universo fica mais quente e mais denso sem nenhum limite que conheçamos. Em algum ponto, ele fica tão quente e tão denso que as nossas duas melhores descrições da natureza já não se encaixam.

A primeira dessas descrições é a teoria da gravidade de Einstein, que explica como coisas grandes, como planetas, estrelas e galáxias, se movem e como o próprio espaço pode se esticar. A segunda é a teoria que explica o mundo das coisas muito pequenas, como os átomos e os quarks, que os físicos chamam de teoria quântica. Cada teoria funciona extremamente bem na sua área. Cada uma foi testada muitas vezes. Mas, no primeiríssimo instante, quando o universo inteiro tinha ao mesmo tempo distâncias extremamente pequenas e uma carga enorme de energia, as duas teorias seriam necessárias juntas. E ninguém encontrou ainda um jeito de uni-las numa só teoria que funcione ali.

Dá para imaginar o problema assim. Pense em dois mapas muito bons. Um mostra o país inteiro, com as suas montanhas e rios, mas não tem nenhum detalhe menor do que uma cidade. O outro mostra uma única rua, casa por casa, mas nada além dela. Cada mapa é excelente para a sua própria finalidade. Mas, se você precisa se orientar num lugar que é ao mesmo tempo enorme e cheio de detalhes minúsculos, nenhum dos dois basta sozinho, e ninguém desenhou ainda o mapa que combina os dois.

Então, no primeiríssimo instante, a física de hoje para de funcionar. Esse instante é tão curto que não existe uma palavra comum para ele. É muito mais curto do que um milionésimo de segundo, mais curto do que qualquer coisa que um relógio jamais conseguiria medir. O que aconteceu então, e se “então” sequer tem sentido, não se sabe. Alguns cientistas estão trabalhando em novas teorias que talvez um dia consigam descrevê-lo. Algumas das ideias deles são interessantes, mas nenhuma foi confirmada ainda por evidências.

É importante dizer isso com clareza, porque muitas vezes se diz errado. A teoria do Big Bang não descreve o primeiríssimo instante. Ela descreve o que aconteceu depois dele: como um universo jovem, quente e denso se expandiu e esfriou, fez os seus primeiros elementos, liberou a sua luz mais antiga e mais tarde formou estrelas e galáxias. Essa parte da história é apoiada por muitos tipos de evidência. O primeiro instante em si, e qualquer pergunta sobre o que veio antes dele, ainda está além do que sabemos.

Não há vergonha nisso. Um bom mapa é honesto sobre onde termina. Os mapas dos antigos navegadores às vezes deixavam espaços em branco nos lugares que ainda não tinham sido explorados. Esses espaços em branco não eram fracassos. Eram convites. Do mesmo modo, o espaço em branco no começo do universo é um dos lugares mais interessantes de toda a ciência, e muitas pessoas estão trabalhando, com paciência, para preencher um pouquinho dele.

Uma mensagem para Sami

Em algum lugar sobre um oceano escuro, Noor finalmente sentiu o sono chegando. Antes que ele viesse, ela pegou o tablet e escreveu para Sami, que àquela altura já devia estar no intervalo: “Você perguntou se existe um ponto em que ninguém sabe. Existe. Quanto mais você volta antes do primeiro milionésimo de segundo, menos certas as coisas ficam, e no primeiríssimo instante ninguém sabe nada. Nem os melhores cientistas. Tudo bem não saber.”

Sami respondeu um pouco depois. Disse que o gerente dele também não sabia tudo, mas fingia saber, e que ele gostava mais dos cientistas. Noor sorriu no escuro da cabine. Depois desligou o tablet e deixou que o zumbido dos ventiladores a levasse ao sono.

Em algumas noites depois do trabalho, a sua mente também pode continuar trabalhando, revendo um dia que já terminou. Nessas noites, há um estranho conforto em lembrar que até o universo tem um começo que ninguém entende por completo. Nem toda pergunta precisa de resposta antes do amanhecer. Algumas perguntas podem ser carregadas com leveza, por uma vida inteira, e mesmo assim ser uma boa companhia.

Equívocos comuns

Muita gente pensa que os cientistas sabem exatamente o que aconteceu no “tempo zero”, o primeiríssimo instante do universo. Eles não sabem. Como vimos esta noite, as nossas melhores teorias param de funcionar no primeiríssimo instante, e ninguém encontrou ainda uma teoria que funcione ali. Os cientistas conseguem descrever com confiança o que aconteceu a partir de uma fração minúscula de segundo, e ficam mais confiantes quanto mais tarde for o momento. Mas o primeiro instante em si continua desconhecido, e os cientistas honestos dizem isso.

Muita gente também pensa que a antimatéria é só uma invenção da ficção científica. Ela é real. Os cientistas fazem pequenas quantidades dela em laboratórios, partículas de antimatéria chegam naturalmente do espaço, e alguns exames hospitalares a usam todos os dias. O que é verdade é que a antimatéria é muito rara no universo de hoje, porque quase toda ela encontrou matéria e desapareceu há muito tempo. É por isso que nunca encontramos antimatéria na vida cotidiana, e é por isso que o pequeno excedente de matéria é um enigma tão importante.

Por fim, muita gente imagina que “o universo era muito pequeno” quer dizer que ele era um objeto pequeno, como uma bola brilhante, dentro de um espaço maior e vazio. Não é isso que os cientistas querem dizer. Não havia espaço do lado de fora onde o universo pudesse ficar. Quando os cientistas dizem que o universo era pequeno, querem dizer que as distâncias entre todas as coisas nele eram muito menores do que são hoje e que tudo estava muito apertado e muito quente. O universo não se expandiu para dentro do espaço. O próprio espaço se esticou. Na próxima noite, vamos andar para a frente de novo, até uma época tranquila e escura depois da luz mais antiga, quando o universo esperava pelas suas primeiras estrelas.