O Universo em Expansão: O Que Significa Realmente «Criar Espaço»?

O Paradoxo da Criação de Espaço

A lei de Hubble e a medida da expansão

Em 1929, Edwin Hubble forneceu a primeira prova observacional da expansão do Universo ao estabelecer a relação entre a distância das galáxias e a sua velocidade de recessão. Esta relação, conhecida como lei de Hubble, exprime-se pela fórmula v = H₀ × d, onde v é a velocidade de recessão, d a distância e H₀ a constante de Hubble.

A aceleração cósmica e a energia escura

Em 1998, duas equipas independentes que estudavam supernovas de tipo Ia fizeram uma descoberta revolucionária: a expansão do Universo não está a abrandar como previsto, mas está a acelerar. Esta observação, galardoada com o Prémio Nobel da Física de 2011, implica a existência de uma energia repulsiva, batizada «energia escura», que constituiria cerca de 68% do conteúdo energético do Universo.

A tabela abaixo resume a composição do Universo e o papel de cada componente na dinâmica da expansão.

O Universo em expansão «cria espaço»?

O conceito de pontos comóveis

O conceito de «criação de espaço» no Universo em expansão é subtil e frequentemente mal interpretado. Não se trata do aparecimento de novo espaço a partir do «nada» no sentido filosófico, mas do aumento da distância própria entre pontos comóveis do espaço-tempo.

N.B.:
Os pontos comóveis designam coordenadas fixas no Universo em expansão. Uma galáxia distante conserva a sua posição comóvel, mesmo que a distância que nos separa dela aumente com o fator de escala. Por outras palavras, não «se move» localmente, mas segue a expansão da métrica cosmológica.

Se não é espaço, o que é que é «criado»?

A geometria dinâmica do Universo

Quando se diz que o Universo «cria espaço», não se deve imaginar uma fabricação de vazio, como se o Universo produzisse uma espécie de matéria invisível. Na realidade, o que evolui é a geometria do Universo, isto é, a maneira como as distâncias são medidas entre dois pontos.

A «expansão» diz respeito à maneira como medimos as distâncias

Na linguagem dos físicos, a própria estrutura do espaço-tempo é dinâmica: as coordenadas das galáxias distantes permanecem fixas (diz-se que são comóveis), mas a «régua» utilizada para medir as distâncias muda ao longo do tempo. Não é, portanto, um «tecido» material que se dilata, mas a métrica que evolui.

Por outras palavras, o Universo não acrescenta volume como se enche um balão com ar, ele recalcula permanentemente o que significa estar separado por um milhão de anos-luz. O que é «criado» não é nem vazio, nem uma substância misteriosa, mas um aumento relativo das distâncias entre objetos cósmicos distantes.

Um conceito matemático mais do que uma criação física de espaço

Dizer que o Universo «cria espaço» é uma maneira figurada de traduzir uma realidade matemática. Em cosmologia, não se manipula um tecido material, mas uma métrica, isto é, uma fórmula que indica como calcular as distâncias entre dois pontos do Universo. Quando a expansão acelerada está em jogo, é esta métrica que muda com o tempo.

Assim, não é o «espaço» como substância que se multiplica, mas a relação geométrica entre os pontos que se transforma. A métrica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW) fornece o quadro: mostra que o fator de escala aumenta, o que equivale a dizer que duas galáxias comóveis veem a sua distância crescer mesmo que não se movam localmente.

Este vocabulário é útil para divulgar, mas convém ter em mente que é um atalho: o que se descreve realmente é uma evolução dinâmica das equações geométricas da relatividade geral: \( G_{\mu\nu} + \Lambda g_{\mu\nu} = \frac{8 \pi G}{c^4} T_{\mu\nu} \)

Galáxias que «se afastam»?

Um afastamento aparente, não um movimento local

Em muitas ilustrações, veem-se galáxias desenhadas cada vez mais afastadas, como se se deslocassem realmente num espaço já existente. Mas no quadro da relatividade geral, não é assim que se deve compreender a expansão. As galáxias distantes não «viajam» através do cosmos, mantêm a sua posição na grelha comóvel, enquanto é esta grelha, a própria métrica, que é medida de maneira diferente com o tempo. Por outras palavras, é a própria métrica que muda de escala com o tempo. Não é uma substância que se deforma, mas são as regras de medição (distâncias, intervalos) que se esticam.

N.B.:
Galáxias muito distantes que se afastam a velocidades ditas «superiores à da luz» não violam a relatividade restrita, pois não correspondem a um movimento local, mas à evolução da própria geometria.