Controvérsias Científicas



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11º seminário nacional de história da ciência e tecnologia

Controvérsias Científicas

O caso do modelo padrão da cosmologia




Gustavo Rodrigues Rocha

28/10/2008



Comunicação apresentada no 11º Seminário Nacional de História da Ciência e da Tecnologia no Simpósio Temático “História da física: abordagens e perspectivas”. Palavras-chave: história da física, história da ciência, sociologia do conhecimento científico, cosmologia.



Controvérsias Científicas:

O caso do modelo padrão da cosmologia
INTRODUÇÃO:
O presente trabalho tem como objetivo analisar historicamente as controvérsias centrais da cosmologia do século XX sob a perspectiva da sociologia do conhecimento científico. Os períodos históricos que serão abordados, cronologicamente, são i) o final da década de 20, quando Lemaître e Friedmann apresentaram, de forma independente, uma solução para as equações de Einstein que os levaram a propor um universo em expansão, e, quando, por volta da mesma época, Hubble formulou a relação entre a magnitude aparente das estrelas e galáxias e o desvio para o vermelho, ii) a década de 40, quando Gamow formulou uma “segunda versão” do Big Bang a fim de se explicar a origem da abundância dos elementos leves, iii) a década de 60, quando, a partir da descoberta da radiação cósmica de fundo, o número de artigos publicados anualmente em cosmologia subiu de sessenta, em 1965, para quinhentos em 1980 e iv) a década de 80, quando Alan Guth propôs uma “terceira versão” do Big Bang, a sua teoria do universo inflacionário, e a cosmologia se associou definitivamente às novas teorias da física de partículas.

A perspectiva metodológica sobre a qual construiremos os argumentos desta análise é aquela pautada por duas teses da sociologia do conhecimento científico, a saber, i) a tese da subdeterminação das teorias pelos dados e ii) a tese de Harry Collins1 conhecida como “regressão do experimentador”. A primeira tese, a respeito da relação entre as evidências e as conclusões, afirma que sempre pode haver mais de uma teoria que explique um mesmo conjunto de dados. A teoria A1, por exemplo, é chamada de subdeterminada caso haja uma teoria rival A2 que, embora igualmente consistente com as evidências, seja inconsistente com a teoria A1. A chamada “regressão do experimentador”, por sua vez, é a tese de Harry Collins a respeito da prática experimental. Collins afirma que os “fatos” somente podem ser gerados por meio de uma “prática experimental adequada”, contudo, uma “prática experimental adequada” é assim considerada somente se gerar “fatos”. Deste modo, a fim de julgar se uma evidência é equivocada, o pesquisador só pode se basear numa expectativa teórica, contudo, a fim de se decidir entre duas ou mais teorias, o pesquisador só pode se basear em evidências. A conseqüência desta circularidade, para Collins, é que não há nenhum critério formal que possa ser aplicado a fim de se decidir se um determinado resultado experimental deve ou não contar como evidência de uma determinada teoria. A tese de Collins parece especialmente apropriada quando aplicada a controvérsias na fronteira do conhecimento científico. Ambas as teses, muito utilizadas em estudos de controvérsias científicas, resultam do problema da indução, o qual, para os sociólogos da escola relativista de Collins, não pode ser solucionado nem pelo método hipotético dedutivo dos positivistas lógicos e nem pelo falsificacionismo de Karl Popper. A conclusão, portanto, é que não há nenhum ponto arquimediano, que transcenda o aspecto social da construção do conhecimento científico, capaz de guiar o cientista na sua pesquisa.


A DÉCADA DE 20 E O DESVIO PARA O VERMELHO:
O ano de 1917 é celebrado como a data de nascimento da cosmologia contemporânea marcada pela publicação do trabalho de Einstein “Considerações Cosmológicas sobre a Teoria da Relatividade”. Durante o período de 1917 a 1930 foi geralmente aceito que o universo fosse estático. O principal problema com o qual os poucos cosmólogos teóricos se ocupavam até então era saber qual modelo de universo estático adotar. O modelo de universo de Einstein era fechado e finito enquanto o modelo de de Sitter era aberto e infinito.2 Somente em 1930, depois que Hubble estabeleceu a relação entre a magnitude aparente das estrelas e galáxias e o desvio para o vermelho, que os trabalhos do matemático russo Friedmann e do padre belga Lemaître, de 1922 e 1927, respectivamente, foram redescobertos. O casamento entre a solução de Friedmann e Lemaître para as equações de campo de Einstein com a interpretação da lei de Hubble como velocidade de recessão levou Lemaître à sua teoria do “átomo primordial”. Em 1931, o padre belga publicou então a “primeira versão” do Big Bang3 numa edição da revista Nature e a apresentou no encontro da Associação Britânica para o Progresso da Ciência.4 Durante as duas décadas seguintes5 a maioria dos físicos e astrônomos considerava que o universo estava em expansão de acordo com a lei de Hubble e as soluções de Friedmann e Lemaître para as equações de campo da relatividade geral de Einstein.6 Foi também por volta da década de 30 que surgiram os primeiros trabalhos relacionando as novas teorias cosmológicas com a termodinâmica, a teoria quântica e a teoria nuclear.7

Contudo, durante este período até a década de 60 (quando houve uma explosão de pesquisas em relatividade geral8) somente alguns poucos matemáticos e físicos tinham a teoria da relatividade geral de Einstein como objeto de suas pesquisas. Ademais, o fundamento relativístico do universo em expansão não era aceito por todos especialistas e havia inúmeras teorias rivais.9 Por isto, voltaremos a nossa atenção à interpretação dada à lei de Hubble como velocidade de recessão das galáxias, o que parece um caso exemplar de teoria subdeterminada.

O astrônomo suíço Fritz Zwicky é conhecido, entre as várias de suas contribuições para a astronomia, como o primeiro a propor, por volta de 1930, uma interpretação diferente para a observação de Hubble. O desvio para o vermelho, segundo Zwicky, que era cético com relação à teoria da expansão, é devido à perda de energia dos fótons de luz viajando por galáxias distantes. O fóton de luz ao perder energia diminui a sua freqüência e, conseqüentemente, aumenta o seu comprimento de onda, o que explica o desvio para o vermelho. O astrônomo belga propôs que o efeito das forças da gravidade sobre o fóton ao longo do seu caminho era responsável pela perda de energia. No entanto, diferentes versões desta teoria, que ficou conhecida como teoria de “luz cansada”,10 atribuem diferentes mecanismos para a perda de energia do fóton. O próprio Zwicky pensou em algumas destas possibilidades, como o efeito Compton e o efeito Raman,11 os quais ele acabou descartando devido ao espalhamento destes fenômenos. Os críticos do Big Bang insistem em apontar para os adeptos do modelo padrão que numa representação gráfica do desvio para o vermelho versus a distância, a constante de Hubble aumenta com a distância, ou seja, a inclinação do gráfico aumenta. Interessantemente, Zwicky propôs, também nesta época, que a relação de Hubble não seria linear, porém exponencial.

Embora os adeptos das teorias de “luz cansada” não sejam numerosos, eles, desde Zwicky, nunca deixaram de existir. O apelo da teoria está no fato dela prever o desvio para o vermelho baseando-se simplesmente no modelo, amplamente aceito e corroborado, do fóton de luz. O principal desafio, por outro lado, está em apresentar um mecanismo plausível para a perda de energia do fóton

Para os críticos atuais das teorias de “luz cansada” e defensores da teoria padrão, como o astrônomo Edward Wright,12 o modelo de “luz cansada” é inconsistente por não prever i) a dilatação do tempo de supernovas se afastando a altas velocidades e ii) a forte influência do desvio para o vermelho no brilho superficial médio das galáxias, exemplos que costumam ser, para os teóricos do Big Bang, provas convincentes de que o universo está se expandindo. Contudo, para Lyndon Ashmore,13 por exemplo, um teórico que defende atualmente um destes modelos de “luz cansada”, não há, no seu modelo, nenhuma inconsistência. Para começar, no modelo de Ashmore o universo não está em expansão. Não há, portanto, velocidades relativísticas envolvidas no fenômeno das supernovas14 e nem, conseqüentemente, dilatação do tempo. Não obstante, o seu modelo, embora inconsistente com o modelo do Big Bang, prevê, devido a um mecanismo diferente, o mesmo espectro característico deste tipo de supernovas, sendo, portanto, consistente com o resultado experimental. Para os teóricos do Big Bang o pulso “alargado” deste tipo de supernova é devido à dilatação do tempo de decaimento de suas partículas, para Ashmore, cujo modelo de “luz cansada” prevê fótons interagindo com elétrons no plasma interestelar,15 o efeito é devido à diferença no número de colisões e no tempo de absorção e reemissão entre fótons de diferentes freqüências. Até o presente momento, parece haver na literatura um total de cinco artigos publicados com este tipo de medida.16 Ashmore, no seu livro “Big Bang Blasted – The Story of the Expanding Universe and How it Was Shown to Be Wrong”, menciona um destes trabalhos, a saber, “Time Dilation from Spectral Feature Age Measurements of Type Ia Supernovae” publicado no Astronomical Journal em 1997.17 Para Ashmore, a análise dos dados feita pelos autores, que afirmam que os dados são consistentes com um universo em expansão, é tendenciosa. Ashmore mostra que pela margem de erro os resultados seriam consistentes tanto com um universo em expansão quanto com um universo estático. Aqui temos um caso de “regressão do experimentador”. As “evidências” são assim julgadas “evidências”, por ambos os lados, a partir de seus referenciais teóricos, contudo, os referenciais teóricos, eles mesmos, se legitimam através das “evidências” que apresentam. Ashmore critica a atitude de alguns pesquisadores que têm afirmado que a “dilatação do tempo” destas supernovas “refuta” as teorias de “luz cansada” ou “prova” a expansão do universo.

Com relação à influência do desvio para o vermelho no brilho superficial médio das galáxias, o conhecido Teste de Tolman, proposto por Richard Tolman, em 1930, para se decidir se o universo está se expandindo ou não,18 Ashmore menciona a observação do Hubble Ultra Deep Field.19 Para Ashmore, a observação do telescópio espacial é uma evidência convincente de que o universo não está em expansão, ou seja, que o Teste de Tolman favorece o modelo estático do universo. Eric Lerner, em seu trabalho “Evidence For a Non-Expanding Universe: Surface Brightness Data From HUDF”, também defende, a partir da análise de dados de galáxias do Hubble Ultra Deep Field, que os dados indicam que o universo não está em expansão. Todavia, os adeptos do modelo do Big Bang se utilizam dos mesmos dados para dizer o contrário. Exemplo disto é o trabalho do astrônomo Allan Sandage intitulado “The Tolman Surface Brightness Test for the Reality of the Expansion”.20 Portanto, encontramos os mesmos dados sendo apresentados por diferentes teóricos para se defender teorias opostas. Finalmente, é interessante notar que Ashmore, como Zwicky havia feito 70 anos antes, chega, a partir da sua teoria, a uma relação exponencial para a constante de Hubble.

Várias outras teorias de “luz cansada” foram propostas ao longo da história da cosmologia. Citamos algumas das mais conhecidas sem entrar em detalhes a respeito de cada uma delas. O astrônomo alemão Erwin Finlay-Freudlich propôs, em 1953, em um trabalho intitulado “Red-Shifts in the Spectra of Celestial Bodies” que campos de radiação seriam responsáveis pela perda de energia dos fótons. Paul Marmet e Grote Reber, um dos pioneiros da radioastronomia, propuseram, a partir da mecânica quântica, um mecanismo diferente.21 O fóton, neste modelo, perderia energia ao se colidir com um elétron, sem, no entanto, mudar a sua trajetória. Marmet chegou a calcular este efeito para o Sol e explicou, a partir de sua teoria, um desvio para o vermelho, observado há muito tempo, entre as bordas da fotosfera e o centro do Sol. Por último, citamos outro mecanismo quântico, aquele de Jean Vigier, um dos pioneiros da interpretação estocástica da mecânica quântica, para a perda de energia do fóton. Vigier propôs um modelo de “luz cansada”, difícil de refutar, baseado em um novo termo por ele introduzido nas equações da mecânica quântica.

As teorias de “luz cansada”, contudo, formam apenas um subconjunto dentro de um conjunto de teorias que buscam oferecer uma explicação diferente para o desvio para o vermelho. Certamente, entre estas teorias se destaca aquela do desvio para o vermelho intrínseco do astrônomo Halton Arp. O autor do Atlas de Galáxias Peculiares, publicado em 1966, defende, a partir de sua heterodoxa teoria sobre a origem e a evolução das galáxias, que o desvio para o vermelho indica a idade da matéria, ou seja, é intrínseco a quasares e galáxias, não significando, portanto, velocidade de recessão.

Na teoria do Big Bang, toda matéria foi criada ao mesmo tempo cerca de 15 bilhões de anos atrás. No modelo de Arp, por outro lado, a matéria é criada continuamente.22 Nas suas obras “O Universo Vermelho”23 e “Quasars, Redshifts and Controversies”, Arp apresenta uma série de “evidências” empíricas que estabelece um padrão pelo qual uma galáxia velha e grande ejeta material mais jovem que forma galáxias companheiras menores e mais jovens ao redor dela. As galáxias mais jovens, por sua vez, ejetam material que dão origem a quasares24 e objetos BL Lac25 ainda mais jovens. Segundo Arp, as evidências indicam que quanto mais jovem é o objeto dentro do grupo, mais alto é o seu desvio para o vermelho intrínseco. O chamado “princípio de Mach”26 seria a razão pela qual a matéria mais jovem tem maior desvio para o vermelho. Segundo este princípio, toda partícula do universo deriva a sua inércia do restante das partículas do universo. Um elétron, por exemplo, teria massa nula ao nascer no universo. Então, na medida em que o tempo passa, ele recebe sinais das partículas de um volume de espaço cada vez maior e, conseqüentemente, a sua massa cresce na mesma proporção. Logo, se a massa de um elétron saltando de uma órbita atômica para um nível mais baixo é menor, então a energia do fóton de luz emitido também é menor. Neste caso, como sabemos, o fóton mais fraco é desviado para o vermelho.

Para chegar a esta conclusão, Arp começou acumulando “evidências” de que os quasares estavam associados fisicamente a galáxias de baixo desvio para o vermelho. Esta associação constitui uma “anomalia” 27 dentro do modelo padrão. Numa destas investigações, por exemplo, Arp, utilizando-se do telescópio espacial de raios X ROSAT, trabalhou com a associação entre o quasar Mark205 e a galáxia NGC4319. Arp, ao mostrar as suas “descobertas” aos demais astrônomos do instituto, não conseguiu convencê-los. Os seus colegas descartaram a associação de Arp entre quasares e galáxias e a atribuíram a ruídos e imperfeições dos instrumentos. Este, contudo, não foi um caso isolado. Por diversas vezes, a conexão entre estes objetos foi atribuída a ruídos e, se este não fosse o caso, a alguma coisa errada com o instrumento. Inúmeras vezes, Arp foi acusado de não compreender a “evidência” dos movimentos superluminais28 ou de ignorar o efeito das “lentes gravitacionais”.29 Contudo, como é bem sabido, Arp é um astrônomo experiente e tem, durante anos, mantido as suas convicções, sempre apresentando novas “evidências”. Como exemplo desta divergência de interpretações, citamos a fotografia de um objeto chamado G2237+0305. Arp “vê”, nesta fotografia, quatro quasares alinhados aproximadamente lado a lado de uma galáxia central, enquanto os teóricos do Big Bang “vêem” uma imagem de quasar que foi dividida em quatro partes pela ação de uma “lente gravitacional”. Assim, o que para Arp é forte “evidência” da associação de objetos a mesma distância com desvios para o vermelho bastante diferentes, o que é uma “anomalia” no modelo padrão, para os teóricos do Big Bang é “evidência” do efeito de “lentes gravitacionais”. Certa ocasião, quando Arp tentou publicar mais uma “evidência” desta associação, desta vez com relação à galáxia NGC1097, o astrônomo chegou a ser acusado, por um árbitro de um periódico europeu, de manipular os dados!

Arp, além de apresentar “evidências” para os desvios para o vermelho intrínsecos de quasares e galáxias, expõe, também, algumas “evidências” para o desvio para o vermelho intrínseco de estrelas. Depois de acumular muitas destas “evidências”, mostrando desvios para o vermelho em excesso das Supergigantes das Nuvens de Magalhães, Arp preparou um artigo para submeter ao periódico Astronomy and Astrophysics. O artigo, analisado por um especialista nas Nuvens, foi rejeitado com a sugestão de que os dados fossem apresentados, não como prova para o desvio para o vermelho intrínseco, mas como prova da incorreção das medidas espectroscópicas de desvios para o vermelho. A “regressão do experimentador”, neste caso, transformou o que seria uma “anomalia”, no modelo padrão, em uma crítica a um método de medida.

Finalmente, caso Arp esteja certo a respeito da causa do desvio para o vermelho, não apenas o modelo padrão deverá ser abandonado, como as distâncias dos objetos mais distantes do universo deverão ser revistas, pois podem estar erradas por fatores de 10 a 100, e as suas luminosidades e massas por fatores de até 10000. Teríamos uma visão completamente diferente do espaço extragaláctico. Os astrofísicos Geoffrey Burbidge e Margaret Burbidge são exemplos de pesquisadores bastante conhecidos que defendem, como Arp, a hipótese local dos quasares.


AS DÉCADAS DE 40 E 60 E A RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO:
Victor Goldschmidt, considerado o fundador da geoquímica, publicou, em 1937, um trabalho a respeito da distribuição dos elementos químicos. O projeto de extrair, a partir da freqüência de distribuição dos elementos, conclusões a respeito do estado inicial do universo, foi inicialmente levado a cabo pelo físico alemão Von Weizsäcker em 1938.30 31 O físico nuclear George Gamow desenvolveu, pouco tempo depois, um modelo para o universo inicial que contornasse os problemas dos modelos dos anos 30, como o de Weizsäcker.32 Gamow, que trabalhou no Projeto Manhattan, construiu uma analogia entre a bomba atômica e o início do universo. A bomba, em um centésimo de milésimo de segundo, cria elementos que vários anos depois ainda são detectados. Analogamente, Gamow especulou que uma explosão universal, de alguns segundos de duração, poderia ter criado os elementos que vimos ainda hoje bilhões de anos depois.33

Assim, em 1948, Gamow e Ralph Alpher, seu estudante de doutorado, publicaram a “segunda versão” do Big Bang, segundo a qual o universo inicial seria um gás de nêutrons denso e quente decaindo em prótons e elétrons ao longo de sua expansão, dando origem aos elementos leves.34 Gamow e Alpher ainda especularam que um universo inicial a temperatura de 109 K deveria ser dominado por radiação ao invés de matéria. Ainda, segundo os cálculos de Gamow e Apher, parte desta radiação, que teria esfriado, estaria presente no universo atual. Gamow, Robert Herman, e Alpher publicaram, entre 1948 e 1956, sete trabalhos a respeito desta radiação cósmica de fundo.

Estes trabalhos não atraíram muita atenção até a “descoberta”, em 1965, por Penzias e Wilson, da radiação “cósmica” de fundo com espectro térmico de corpo negro na faixa de microondas.35 Penzias e Wilson mediram um ponto do espectro que eles supuseram ser de um corpo negro. O artigo anunciando a descoberta dos físicos dos Laboratórios Bell menciona somente o excesso de ruído detectado, sem nenhuma observação ao aspecto “cósmico” da radiação.36 Contudo, à mesma época, Robert Dicke, David Wilkinson e Jim Peebles estavam, em Princeton, construindo um aparato a fim de se detectar a radiação cósmica de fundo, prevista pelos modelos de Gamow e deles próprios. Dicke, ao receber a notícia da medida de Penzia e Wilson teria tido ao grupo de Princeton: “Pessoal, nos passaram para trás”.37 Assim, a “descoberta” acidental de Penzias e Wilson foi considerada uma “confirmação” da previsão do modelo padrão. O número de artigos anualmente publicados em cosmologia subiu de sessenta, em 1965, para quinhentos em 1980.38

Porém, o ano de 1948 não foi somente o ano de nascimento da “segunda versão” do modelo padrão. Neste mesmo ano, os físicos Fred Hoyle, Thomas Gold e Hermann Bondi elaboraram uma teoria alternativa. A chamada teoria do estado estacionário se baseia num universo estacionário, infinito e homogêneo no espaço e no tempo. A teoria teve grande repercurssão e muitos adeptos até a década de 60, quando, a partir de novos desenvolvimentos experimentais, teóricos e observacionais, a teoria acabou desacreditada pela maioria dos astrônomos. Atualmente, o astrofísico indiano Narlikar é um dos maiores defensores da teoria do estado quase estacionário, uma segunda formulação da teoria original. No seu livro “A Different Approach to Cosmology: From a Static Universe through the Big Bang towards Reality”, escrito junto com Fred Hoyle e Geoffrey Burbidge, os autores argumentam que a radiação cósmica de fundo, entendida como um remanescente do Big Bang no modelo padrão, é somente o resultado da difusão da luz das estrelas. Além disto, para Narlikar, Hoyle e Burbidge, as estrelas também são responsáveis por sintetizar os elementos, que, no modelo padrão, foram criados durante o estado inicial do universo. Finalmente, na teoria do estado quase estacionário, a matéria, como no modelo de Arp, é criada continuamente e ejetada do núcleo das galáxias.

A partir da década de 60, foram apontados vários problemas na teoria do estado estacionário e na teoria do Big Bang. Foi quando o físico de plasma sueco Hannes Alfvén,39 ganhador do prêmio nobel de 1970, e o seu colega Oskar Klein resolveram entrar na disputa com uma terceira alternativa. Klein, na década de 50, já havia proposto que o desvio para o vermelho poderia ser explicado se o universo consistisse em quantidades iguais de matéria e antimatéria. Alfvén, conhecido como o pioneiro da cosmologia de plasma, junto com Klein, desenvolveram, em 1961, um mecanismo pelo qual a matéria e a antimatéria poderiam ser separadas em regiões distintas, a chamada teoria do ambiplasma. Na segunda metade da década de 60, com o resurgimento da teoria do Big Bang, a cosmologia de Alfvén e Klein foi esquecida.

Hoje, talvez, o mais preeminente defensor da cosmologia de plasma seja o físico americano Eric Lerner. A cosmologia de plasma parte da interessante premissa que o estudo do universo, constituído sobretudo de plasma, deve levar em consideração as interações eletromagnéticas, e não somente, como historicamente tem sido, as interações gravitacionais.40 No seu livro “The Big Bang Never Happened – A Startling Refutation of the Dominant Theory of the Origin of the Universe”, Lerner, partindo basicamente do trabalho de Alfvén, apresenta modelos, baseados nos resultados da física de plasma obtidos em laboratório e em simulações de computadores, para se explicar estruturas do universo em larga escala. Assim, Lerner apresenta modelos para se explicar os quasares, a formação das galáxias e a hierarquia do universo em galáxias, aglomerados e superaglomerados.41



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