O texto a seguir é uma obra do Prof. Oscar Matsuura, pesquisador e professor aposentado do Depto. de Astronomia da USP, sobre James Peebles um dos cientistas laureados com o prêmio Nobel de Física de 2019.
PRÊMIO NOBEL DE FÍSICA DE 2019
Parte 1. James Peebles
Oscar T. Matsuura
Professor Associado aposentado do IAG/USP
Pesquisador Colaborador do MAST/MCTIC
O Nobel de Física deste ano (2019) foi concedido a três cientistas: James Peebles, da Universidade de Princeton “pelas descobertas teóricas em Cosmologia Física” e Michel Mayor e Didier Queloz, ambos da Universidade de Genebra, na Suíça, “pela descoberta de um exoplaneta orbitando uma estrela do tipo solar”. Peebles, de quem falarei hoje, ficou com a metade do Prêmio, cujo total equivale a cerca de US$900,000.00.
James Peebles (1935-) é canadense. Graduou-se em Física pela Universidade de Manitoba, na região longitudinalmente central de seu país natal. Com 25 anos seguiu para a Universidade de Princeton, nos Estados Unidos, onde se doutorou em Física em 1962. Desde então ele permaneceu na mesma Universidade. Hoje, com 84 anos, é Professor Emérito Albert Einstein de Ciência daquela Universidade. Como ele ganhou o Prêmio Nobel por conta dos estudos e trabalhos que desenvolveu durante toda a vida nessa Universidade, achei oportuno falar um pouco sobre ela, com o intuito de contextualizar o ambiente institucional do trabalho acadêmico de um ganhador do Nobel de Física.
Universidade de Princeton
Essa Universidade fica em Nova Jersey, estado americano acessível da ilha de Manhattan, atravessando-se o rio Hudson. Fundada em 1746, é uma instituição privada, das primeiras de ensino superior nos Estados Unidos a ser credenciada oficialmente. Dentre muitos outros cientistas, lá também se doutorou o famoso físico Richard Feynman (Nobel de Física de 1965) e o também famoso, mas injustiçado cientista inglês da computação, Alan Turing, além vários artistas, políticos, economistas e escritores famosos. Também o produtivo físico teórico americano John Archibald Wheeler (1911-2008) lá desenvolveu uma importante parte da carreira acadêmica (1938-1976) e atuou na chamada Idade de Ouro da Relatividade Geral (1960-1975), quando inventou a expressão, hoje popular, “buraco negro”. Essa Idade de Ouro caracterizou a aceitação da Relatividade Geral, antes vista mais como objeto de curiosidade, como tema da Física Teórica. Wheeler orientou 46 doutores, dentre eles o já citado Feynman e o físico brasileiro carioca Jayme Tyomno (1920-2011). Também ninguém menos que Albert Einstein lá viveu de 1933 a 1955 como membro do Instituto de Estudos Avançados daquela Universidade.
Robert Dicke
Robert Dicke. Fonte: https://nevalalee.wordpress.com/tag/robert-h-dicke/
Peebles chegou em Princeton em 1960, quando lá o físico norte-americano Robert Dicke (1916-1997) liderava um ativo grupo de pesquisa. Pela influência fundamental que Dicke teve na exitosa carreira acadêmica de Peebles, farei aqui uma breve digressão sobre Dicke. Ele tinha se graduado em Física na Universidade de Princeton em 1939. Depois obteve o doutorado em Física Nuclear em outra universidade. Durante a II Guerra Mundial trabalhou no MIT (Instituto de Tecnologia de Massachusetts) no desenvolvimento do radar, visando à sua utilização militar. Na mesma época ele projetou o chamado “radiômetro de Dicke”, um rádio-receptor de micro-ondas. Ora, objetos sólidos aquecidos emitem radiação eletromagnética. Quanto mais aquecidos, menores são os comprimentos de onda emitidos. Isso faz parte da Física, no capítulo dedicado ao estudo dos chamados “corpos negros”. Assim, um corpo a 5 mil K (temperatura aproximada do Sol) emite o grosso da radiação nos comprimentos de onda da luz visível. Mas o corpo humano, a cerca de apenas 300 K (27º C), emite o grosso da radiação em infravermelho. Por isso as câmaras de infravermelho são capazes de produzir imagem de pessoas, e também de animais de sangue quente, na escuridão da noite. Testando seu radiômetro no terraço do laboratório em que trabalhava, Dicke verificou que ele era capaz de medir temperaturas ainda mais baixas como 20 K (-253 C). Os radioastrônomos utilizam conceitos práticos oriundos desse radiômetro para calibrar o sinal recebido pelos radiotelescópios e, assim, quantificar a radiação emitida pelos astros.
Tendo acumulado uma diversificada experiência em Física, Dicke retornou em 1946 para Princeton, onde trabalhou até o fim de sua vida. Ele se dedicou com enorme talento criativo aos mais variados campos da Física, tanto experimentais quanto teóricos. Ele contribuiu no desenvolvimento do radar, do laser para infravermelho e do amplificador lock-in (capaz de extrair sinais extremamente fracos “submersos” em intenso ruído), na Física Atômica, na Óptica Quântica, na Astrofísica, na Gravitação e Cosmologia. Quase brincando matematicamente com constantes físicas (como a constante gravitacional G, a carga e e a massa me do elétron etc.), físicos da época tinham obtido números adimensionais, isto é, números puros sem dimensionalidade física como, p. ex., 5 sem associação a nenhuma grandeza física como 5 m (metros) que seria um comprimento, ou 5 s (segundos) que seria um intervalo de tempo, ou 5 g (gramas) que seria uma quantidade de matéria. Esses números adimensionais, por sua vez, eram muito grandes, da ordem de 1040 (isto é, 1 com 40 zeros à direita). Mas esses físicos notaram que a razão, também adimensional entre o raio do Universo e o raio do elétron, ou o número total de cargas elétricas no Universo, ou a idade do Universo medida em termos do tempo para a luz percorrer o raio do elétron, também era da ordem de 1040. Esse resultado intrigante foi denominado “coincidência dos grandes números”. Mas, admitir que isso acontecia por coincidência ou por acaso, era constrangedor para os físicos porque, no fundo, significava a incapacidade de dar uma explicação causal. O famoso físico teórico inglês, Paul Dirac (1902-1984), Prêmio Nobel de Física de 1933, obtendo 1040 ao dividir o raio do Universo pelo raio do elétron, e o mesmo número dividindo a força elétrica entre o próton e o elétron pela força gravitacional entre essas mesmas partículas, propôs que a constante gravitacional G não seria constante, mas variaria segundo o inverso da idade do Universo. Dirac estava sugerindo que esse desafio dos grandes números envolvia a Cosmologia e que a coincidência não era coincidência, mas porque G variava com o inverso da idade do Universo. Porém, essa variação de G nunca foi confirmada.
Dicke entrou nessa discussão e propôs que as constantes físicas, que possibilitam a síntese nuclear de átomos pesados no interior das estrelas, inclusive do carbono que é essencial para a nossa própria existência, só poderiam tornar possível nossa presença no Universo se a idade do Universo fosse da ordem de 14 bilhões de anos, já que o tempo de evolução das estrelas para produzir os átomos pesados é tipicamente de 10 bilhões de anos. Portanto, a idade do Universo que nós podemos medir, não poderia ter um valor qualquer, senão um valor compatível com a nossa existência. Não poderia ser, p. ex., muito mais jovem, pois nós nem existiríamos. Ampliando esse raciocínio, ao medir as contantes físicas não encontraríamos para elas valores quaisquer, senão apenas valores compatíveis com a nossa presença no Universo. Essa foi a explicação que Dicke propôs para a coincidência dos grandes números. Essa especulação seminal de Dicke deu origem ao “Princípio Antrópico”, pelo qual as nossas observações do Universo têm que ser compatíveis com as condições que tornam possível a nossa existência como seres vivos, inteligentes e observadores do Universo. É bom que se diga que esse Princípio, embora muito interessante, também tem atraído críticas e gerado controvérsias.
De qualquer forma, Dicke foi reconhecido como um dos físicos americanos mais completos a fazer jus ao Nobel de Física por suas várias realizações, no entanto, não o recebeu. Alguns especulam que ele teria sido “punido” por ter ousado desenvolver a “Teoria da Gravitação de Brans-Dicke” (Brans é o sobrenome do parceiro), hoje praticamente abandonada, que se posicionava como teoria rival da Relatividade Geral de Einstein.
James Peebles
James Peebles, foto recente. Fonte: https://www.thompsoncitizen.net/a-look-at-canadian-born-nobel-physicist-james-peebles-1.23970041
Chegando à Universidade de Princeton, Peebles se juntou ao grupo de pesquisa de Dicke. Sob a orientação deste, obteve o doutorado em 1962. Dicke tinha acabado de elaborar a citada Teoria da Gravitação de Brans-Dicke. Embora essa teoria não viesse a se firmar, esse estudo induziu Dicke a pensar no Universo primordial. Seu grupo estava investigando as predições teóricas e as consequências observacionais do Universo primordial – desde a fase imediatamente posterior ao Big Bang até algumas centenas de milhares de anos. A teoria do Big Bang para a origem do Universo ainda não tinha aceitação universal, a despeito da evidência observacional de que as galáxias estavam se afastando umas das outras (expansão do Universo). Pois, se o Universo estava expandindo, no passado ele deveria ter sido muito menor, muito mais quente e denso.
Uma predição dessa teoria era que o Universo, logo após o Big Bang deveria se comportar como um minúsculo corpo negro. A radiação térmica (radiação eletromagnética) dessa época deveria ter se difundido por todo o Universo e deveria poder ser detectada por nós, mesmo hoje. Dicke e Peebles recalcularam de novo a predição da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, que já havia sido predita em 1948 pelo físico ucraniano George Gamow (1904-1968), um dos primeiros defensores do Big Bang.
Com outros membros do grupo, Dicke também começou a montar um radiômetro de que já falamos, que leva o seu nome, a fim de detectar a radiação cósmica de fundo em micro-ondas e, assim, comprovar a predição. Comprovar empiricamente uma predição teórica constitui na atividade científica um dos feitos mais importantes. Mas, sucedeu que os engenheiros de telecomunicações Arno Penzias (1933-) e Robert Wilson (1936-), testando em 1964 um novo tipo de antena e receptor de micro-ondas na Bell Telephone Laboratories, também em Nova Jersey, não muito longe de Princeton, acabaram por detectar um sinal fraco, porém, persistente, que parecia vir de todas as direções do céu. Inicialmente eles suspeitaram que se tratasse de interferência de fontes terrestres, mas essa hipótese foi descartada. Constatando depois que uma parte da antena, semelhante a uma trompa, abrigava morcegos e pombos, os engenheiros suspeitaram que as fezes deixadas por essas criaturas seria a fonte do sinal. Uma limpeza foi feita, mas nem por isso o estranho sinal desapareceu. Sem conseguirem se livrar desse “ruído de fundo”, os dois engenheiros foram atrás de consultoria técnica. Onde? Junto ao grupo de Dicke!
A escolha não poderia ser mais acertada, pois esse era o grupo que estava querendo detectar exatamente aquilo que os engenheiros tinham detectado, mas não sabiam do quê se tratava. Essa radiação era a radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Sua temperatura era da ordem de apenas 2,7 K e essa era a temperatura predita. Segundo a já mencionada teoria do corpo negro, o grosso da emissão eletromagnética deveria ser mesmo em micro-ondas.
Restou ao grupo de Dicke a glória menor de fazer uma segunda detecção definitivamente confirmatória da radiação cósmica de fundo. Mas a interpretação teórica da descoberta casual de Penzias e Wilson, como sendo uma consequência do Big Bang, coube integralmente ao grupo de Dicke. Isso trouxe uma corroboração de peso a favor do Big Bang e guindou os estudos do Universo primordial decorrentes dessa teoria, do terreno meramente especulativo para uma Física testável por observações, dando lugar a um novo campo de pesquisa chamado Cosmologia Física.
É curioso notar que Penzias e Wilson receberem o Prêmio Nobel de Física de 1978, mas a Dicke não foi concedida nem sequer uma participação.
Peebles, por sua vez, recebeu o Prêmio Nobel por ter desempenhado um papel crucial no nosso entendimento teórico do Universo primordial e sua evolução. O Prêmio lhe foi concedido basicamente pelas descobertas teóricas no campo da Cosmologia Física, que estuda a estrutura e a dinâmica do Universo no contexto de questões fundamentais como a sua origem, estrutura, evolução e destino final. Foi ele quem reconheceu que a radiação cósmica de fundo retém registros sutis, variações mínimas de temperatura da ordem de 1/100.000 que, quando devidamente decodificadas, revelam como o Universo evoluiu desde os primórdios até os dias atuais, como se originou e evoluiu a estrutura do Universo formando galáxias, aglomerados de galáxias e superaglomerados de galáxias a partir de condições primordiais relativamente homogêneas. Não teria cabimento explicar aqui todos os detalhes, mas aquelas pequenas variações de temperatura, onde a temperatura era menor, a densidade de matéria era maior, e vice-versa. Portanto, pouco depois do Big Bang, as variações de temperatura estavam correlacionadas com as variações de densidade da matéria. Os locais de densidade maior atuaram como sementes primordiais que continuaram acumulando mais matéria e formaram as estruturas de grande escala do Universo atual. No início da década de 1970, que assinala o advento dos computadores mais poderosos, o próprio Peebles foi pioneiro em simular a formação de estruturas cósmicas, prática que constitui hoje um ramo de pesquisa em que os cosmólogos exploram coleções de universos de diferentes formas e tamanhos para extrair deles uma compreensão física que não conseguimos obter do nosso único Universo real e observável. Sem as descobertas teóricas de Pebles, as medições de alta precisão dessa radiação feitas nos últimos 20 anos não nos teriam dito nada.
Em suma, fazendo os trabalhos teóricos na área da Cosmologia Física, Peebles realimentou a Cosmologia Observacional com novas predições cada vez mais precisas e refinadas, e obteve dela, com instrumentos mais sensíveis e sofisticados a bordo de plataformas espaciais, novas confirmações e respostas, podendo avançar repetindo esse ciclo.
Peebles também nos conduziu ao “setor escuro” do nosso Universo e foi pioneiro na formulação do “modelo cosmológico padrão” que, além da matéria ordinária dos nossos corpos, dos planetas e estrelas, e além da radiação cósmica de fundo, inclui também a matéria e a energia escuras, ambas reconhecidas atualmente como majoritárias na constituição do Universo, embora de natureza ainda desconhecida, mas cuja existência é atestada por evidência observacional. Com efeito, a matéria ordinária contribui com apenas 4% na constituição do Universo. Levando em conta a matéria escura como componente importante do Universo, Peebles avaliou em suas simulações as suas implicações na evolução da estrutura do Universo visível, já que a matéria escura, embora invisível, exerce ação gravitacional.
Por fim, Peebles demonstrou também como as observações da radiação cósmica de fundo e da distribuição das galáxias podem ser usadas para determinarmos parâmetros cosmológicos que figuram nas equações que utilizamos para descrever o Universo.
Quando a concessão do Prêmio foi anunciada, Peebles foi perguntado qual descoberta ou avanço específico teria motivado o Prêmio. Mas ele próprio respondeu que foi o trabalho de toda a sua vida, ou seja, ele estava ganhando o Prêmio pelo conjunto da obra. De fato, ele foi o arquiteto-chave na construção da Cosmologia Física que estuda as estruturas de grande escala do Universo (aglomerados e superaglomerados de galáxias), a dinâmica do Universo no contexto de questões fundamentais como a sua origem, estrutura, evolução e destino final. Para a formação de novos pesquisadores ele contribuiu com vários livros-textos que continuarão sendo importantes nos próximos anos.