Constantes cosmológicas: o ajuste fino do universo

Porque tem a física constantes?

Valores herdados do Big Bang

A sua existência pode dever-se às condições iniciais do universo durante o Big Bang ou a propriedades profundas da realidade fundamental que ainda não compreendemos. Com efeito, as condições iniciais do universo puderam fixar os valores das constantes que depois influenciaram a evolução e a estrutura do universo tal como o conhecemos. Alguns teóricos evocam a ideia de um multiverso, em que o nosso universo não seria mais do que um entre muitas realidades possíveis. Neste contexto, as constantes poderiam variar de um universo para outro, e o nosso possuiria os valores que permitem o aparecimento da vida e de observadores conscientes.

Um quadro coerente para as teorias físicas

No que diz respeito ao nosso mundo material, as constantes da física são valores "fixos" que determinam as propriedades fundamentais do universo no seu conjunto, do infinitamente pequeno ao infinitamente grande. Estas constantes são necessárias para descrever e prever o comportamento dos fenómenos físicos, bem como as propriedades da matéria e da energia a diferentes escalas. Estas constantes permitem manter a coerência das leis físicas e dar conta da diversidade dos fenómenos observados a diferentes escalas. São também ferramentas que permitem estudar e testar os limites das nossas teorias científicas (gravitação newtoniana, relatividade restrita, mecânica quântica, eletrodinâmica quântica, relatividade geral…). Para que a física moderna se possa desenvolver, precisa de leis universais. Estas leis permitem repetir as experiências, aqui e noutro lugar, hoje e amanhã, num quadro que é o Universo. As constantes desempenham, portanto, um papel central nas teorias físicas. Paradoxalmente, as constantes podem variar ao longo de períodos de tempo muito longos. Mas isso não impede de estruturar os domínios de validade das diferentes teorias físicas e astrofísicas.

Quais são as constantes fundamentais da física?

Um inventário de grandezas fundamentais

As constantes físicas são grandezas cujo valor numérico é considerado fixo no quadro das teorias atuais. Aparecem nas equações que descrevem as leis da natureza, do infinitamente pequeno ao infinitamente grande, e condicionam tanto a estrutura dos átomos como a expansão do Universo.

Domínios de aplicação variados

As mais conhecidas dizem respeito à gravitação e ao eletromagnetismo, mas a lista estende-se à mecânica quântica, à termodinâmica, à física de partículas e à cosmologia. Cada constante possui uma unidade própria e um significado físico preciso: a constante de gravitação G mede a intensidade da atração entre massas, a velocidade da luz c fixa o limite de propagação da informação e da energia, a constante de Planck h quantifica as trocas de energia à escala microscópica, a constante de estrutura fina α caracteriza a força eletromagnética, etc.

Valores medidos e ajustados

Estas grandezas não são deduzidas de princípios matemáticos abstratos: são medidas experimentalmente com uma precisão crescente, e os seus valores são regularmente ajustados por organismos internacionais como o CODATA.

Uma constância testada ao longo de milhares de milhões de anos

A sua constância aparente, testada ao longo de milhares de milhões de anos graças à observação de espetros de absorção distantes, constitui um dos pilares da física moderna e permite comparar experiências realizadas em contextos radicalmente diferentes.

Tabela resumo das constantes físicas fundamentais

A tabela abaixo resume as principais constantes físicas e cosmológicas, o seu símbolo, o seu valor aproximado, o seu papel e a sua origem histórica.

Quais são os parâmetros cosmológicos?

Parâmetros cosmológicos do modelo ΛCDM

Ao contrário das constantes físicas fundamentais, que fixam as leis locais da natureza, os parâmetros cosmológicos descrevem o estado global do Universo: a sua idade, a sua taxa de expansão, a sua composição e a sua geometria. Estas grandezas não são necessariamente constantes no sentido estrito: algumas variam com o tempo cósmico, como a densidade de energia escura ou a taxa de expansão. Estão no coração do modelo ΛCDM (Lambda-CDM), que constitui hoje o modelo padrão da cosmologia. Os valores mais precisos provêm das medições do fundo cósmico de micro-ondas realizadas pelo satélite Planck (2018), complementadas pelos levantamentos de supernovas e pelas oscilações acústicas de bariões (BAO).

Tabela dos parâmetros cosmológicos do modelo ΛCDM

A tabela abaixo resume os parâmetros cosmológicos essenciais, o seu símbolo, o seu valor proveniente dos dados de Planck 2018 e o seu papel na descrição do Universo.

O que permitiram as constantes verificar?

Testes decisivos para as grandes teorias

As constantes fundamentais desempenharam um papel crucial na verificação das teorias científicas e dos modelos físicos. Permitíram confirmar que o espetro de absorção dos diferentes elementos se manteve inalterado durante cerca de 10 mil milhões de anos.

A tensão de Hubble

Duas famílias de medições que não concordam

Uma das dificuldades maiores da cosmologia contemporânea reside na divergência entre as medições da constante de Hubble segundo o método utilizado. As medições baseadas no Universo primitivo e no modelo ΛCDM dão H₀ ≈ 67,4 km·s⁻¹·Mpc⁻¹ para Planck sozinho, e valores muito próximos, H₀ ≈ 67,2 ± 0,4, quando Planck, ACT e SPT-3G são combinados. As medições locais, baseadas nas cefeidas e nas supernovas do tipo Ia, dão H₀ ≈ 73 km·s⁻¹·Mpc⁻¹. Esta discrepância, inicialmente de cerca de 5 σ, é designada por tensão de Hubble.

Será a constante cosmológica realmente constante?

Λ, uma energia do vazio constante

No modelo ΛCDM, a energia escura é uma verdadeira constante Λ: a sua densidade não muda ao longo do tempo, e a sua equação de estado vale \( w = p/(\rho c^2) = -1 \). É a hipótese mais simples, e a que até agora concorda com a maioria das observações.

O que o DESI mediu

O instrumento espetroscópico DESI publicou em 2025 os resultados da sua segunda entrega de dados (DR2, três anos de observação): medições de oscilações acústicas de bariões sobre mais de 14 milhões de galáxias e quasares. São bem descritas por um modelo ΛCDM plano, mas os parâmetros que preferem estão em tensão moderada (2,3 σ) com os do fundo cósmico de micro-ondas.

Quando o DESI é combinado com o fundo cósmico e com catálogos de supernovas, uma energia escura evolutiva, descrita pelos parâmetros \( (w_0, w_a) \), é preferida ao modelo ΛCDM com uma significância de 2,8 a 4,2 σ segundo a amostra de supernovas. Uma reanálise do catálogo DES-SN5YR («DES-Dovekie») reduziu entretanto o máximo de 4,2 σ para 3,2 σ.

Uma pista a confirmar, não uma descoberta

Estes valores permanecem abaixo do limiar de 5 σ geralmente exigido para uma descoberta. Os autores do DESI sublinham que, salvo erro sistemático desconhecido num dos conjuntos de dados, o modelo ΛCDM está a ser posto à prova e que uma energia escura dinâmica poderá ser uma solução. Se fosse confirmada, Λ deixaria de ser uma constante, mas sim um campo que evolui ao longo do tempo cósmico.

A ligação com a massa dos neutrinos

Em laboratório, a experiência KATRIN mede diretamente a massa do neutrino eletrónico através da desintegração do trítio. Os seus 259 dias de dados (Science, 2025) dão \( m_\nu < 0{,}45 \) eV a 90 % de nível de confiança, ou seja, menos de um milionésimo da massa do eletrão. A cosmologia é muito mais restritiva: o DESI e o fundo cósmico limitam a soma das massas dos três neutrinos a \( \sum m_\nu < 0{,}064 \) eV (ΛCDM, 95 % CL). Este limite roça o mínimo de cerca de 0,06 eV imposto pelas oscilações de neutrinos, e relaxa-se para 0,16 eV se a energia escura for evolutiva: as duas questões estão, portanto, ligadas.

O essencial

Um alicerce para a física moderna

As constantes físicas serviram de fundamento para a validação das teorias científicas. Permitíram construir um quadro coerente para explicar e prever uma vasta gama de fenómenos observados no universo, do infinitamente pequeno ao infinitamente grande. Desde 2019, várias delas definem mesmo as próprias unidades de medida.

Três questões ainda em aberto

Nenhuma teoria explica hoje porque têm as constantes estes valores. A tensão de Hubble não está resolvida, e a natureza da energia escura permanece em aberto: constante do espaço-tempo ou campo evolutivo. Os dados do DESI, do telescópio espacial Euclid, do JWST e dos futuros levantamentos trarão elementos de resposta.