A cosmologia é o ramo da astrofísica que estuda a origem, natureza, estrutura e evolução do Universo .
A cosmologia científica estabelecida em qualquer momento depende diretamente do que sabemos sobre o universo. Antes da XIX th século , o universo conhecido foi essencialmente reduzida a um único sistema de energia solar , cosmologia e, portanto, coberto apenas a formação do mesmo. Não foi até a primeira metade do XIX ° século que a distância até a estrela mais próxima começou a ser conhecida ou estimada relativamente realista (a partir de 1838 por Friedrich Bessel ). O estudo da distribuição espacial das estrelas em nossa galáxia foi então levada a cabo até o início do XX ° século . Finalmente, na década de 1920, a natureza extragaláctica do que então eram chamadas de “ nebulosas ” (hoje galáxias) foi descoberta por Edwin Hubble . Pouco depois, Georges Lemaître também descobriu a expansão do Universo , ou seja, o fato de que as galáxias do Universo se afastam umas das outras, e tanto mais rapidamente quanto estão distantes. A cosmologia como a entendemos hoje é, portanto, o estudo da estrutura, história e evolução de um universo repleto de galáxias até onde a vista alcança.
A Terra é um planeta relativamente pequeno (cerca de 6.370 km de raio ), em órbita em torno de uma estrela da seqüência principal , o Sol . Por definição, a distância Terra-Sol é usada para definir a unidade astronômica , ou cerca de 150 milhões de quilômetros. Outros planetas orbitam o sol. O planeta mais distante do Sol (sem contar os planetas anões) é Netuno , cerca de 4,5 bilhões de quilômetros do Sol, ou trinta vezes a distância Terra-Sol.
O próprio sistema solar está ligado a uma estrutura, a Galáxia (no caso da nossa galáxia: a Via Láctea ), composta por várias centenas de bilhões de estrelas. A estrela mais próxima do Sol, Proxima Centauri , está localizada a pouco mais de 4 anos-luz de distância , ou ± 38.000 bilhões de quilômetros do Sol, ou 260.000 vezes mais do que a distância Sol-Terra (UA ou unidade astronômica ). A maioria das estrelas visíveis a olho nu no céu noturno estão a dezenas ou mesmo centenas de anos-luz de distância. O Sol está localizado na periferia da Galáxia. Está a cerca de 25.000 anos-luz de distância; a galáxia tem um raio cerca de duas vezes maior que essa distância, com um diâmetro de cerca de 100.000 anos-luz. Essas dimensões a tornam uma galáxia típica do universo.
Se excluirmos as galáxias anãs que existem em número nas proximidades de nossa galáxia, a galáxia massiva mais próxima de nós é a galáxia de Andrômeda , cuja distância é um pouco mais de 2 milhões de anos-luz. Nossa galáxia e a de Andrômeda são os dois representantes mais massivos de um grupo de galáxias ligadas pela gravidade e chamadas de Grupo Local , com alguns milhões de anos-luz de largura. Existem outras estruturas maiores no universo chamadas aglomerados de galáxias e superaglomerados . O aglomerado mais próximo do Grupo Local é o aglomerado de Virgem (ou aglomerado de Virgem, o nome latino da constelação ), ele próprio localizado próximo ao centro do superaglomerado de Virgem . Superaglomerados são as maiores estruturas do universo, porém seu tamanho não ultrapassa 200 a 300 milhões de anos-luz. Essas estruturas são organizadas em filamentos de densidades mais altas que circundam espaços quase vazios com um tamanho da ordem de centenas de milhões de anos-luz (as estrelas que entram nelas são desaceleradas pelo efeito gravitacional dos filamentos constituídos por superaglomerados ).
O limite do universo observável é estimado em 45 bilhões de anos-luz, o que corresponde à distância do horizonte cosmológico dentro da estrutura do modelo padrão de cosmologia .
Estimamos em:
A densidade da Terra é de cerca de 5 toneladas por metro cúbico . Dado seu tamanho, sua massa é de aproximadamente 6 × 10 24 kg . O Sol, que é uma estrela típica, é cerca de 300.000 vezes mais massivo, ou 2 × 10 30 kg. Para objetos maiores (galáxias, aglomerados de galáxias), é costume usar a massa solar como uma unidade de massa, o quilograma tornando-se uma unidade muito pequena devido aos números em jogo.
As observações indicam que as galáxias são significativamente mais massivas do que as estrelas que as compõem. Hoje temos quase certeza de que, além da matéria comum de que somos feitos, existe outra forma de matéria, atualmente desconhecida em laboratório, chamada matéria escura . Ao contrário da matéria comum, esta matéria escura não interage com a luz e, portanto, é invisível. Além disso, não forma estruturas compactas como estrelas, planetas ou asteróides, mas tem uma distribuição muito mais difusa dentro das galáxias. A massa da matéria escura nas galáxias (e em todo o universo) é cerca de seis vezes maior que a da matéria comum. A massa de nossa galáxia é, portanto, um pouco mais de um trilhão de massas solares.
A massa estimada dos superaglomerados é de aproximadamente 10 15 massas solares. Comparados ao seu tamanho, os superaglomerados são objetos extremamente finos: apenas algumas dezenas de átomos por metro cúbico. A massa do universo observável é estimada em 1,4 × 10 24 massas solares.
DuraçõesO período de revolução da Terra em torno do Sol é de um ano (na verdade, um ano tropical ). Quanto mais longe os planetas estão do Sol, maior o seu período de revolução, uma consequência da terceira lei de Kepler . Assim, Netuno tem um período de 165 anos.
As ordens de magnitude aumentam consideravelmente se olharmos para o período de revolução do Sol em torno do centro galáctico: é cerca de 200 milhões de anos. As estrelas não são objetos imutáveis. Eles se formam, começam a brilhar e depois se apagam por falta de combustível nuclear. A idade do Sol é de aproximadamente 4,5 bilhões de anos. As estrelas mais antigas da nossa galáxia têm cerca de 10 bilhões de anos. É também a idade da nossa galáxia. As galáxias também nascem de enormes nuvens de gás. O próprio universo como o conhecemos não é eterno. Ele se originou de uma fase extremamente densa e quente, o Big Bang , que ocorreu há aproximadamente 13,819 bilhões de anos.
O objetivo da cosmologia é descrever o universo e sua formação, que pode inicialmente ser representado por uma distribuição de matéria relativamente uniforme (em grande escala). Acontece que a mecânica newtoniana é incapaz de descrever uma distribuição uniforme e infinita da matéria. Para descrever o universo, é essencial usar a relatividade geral , descoberta por Albert Einstein em 1915 . Além disso, Einstein é o primeiro a publicar um modelo cosmológico moderno, solução de sua teoria recém-descoberta, mas que descreve um universo homogêneo finito e estático. Este modelo é essencialmente motivado por considerações filosóficas e físicas, mas introduz uma ideia extremamente engenhosa (e um tanto perigosa para a época), o princípio cosmológico .
A descoberta, alguns anos depois, da expansão do Universo por Edwin Hubble põe em causa o modelo de universo estático de Einstein e acaba lançando as bases da cosmologia moderna: o universo (ou pelo menos a região). Acessível às observações) está se expandindo, e descrito pela relatividade geral . Sua evolução é determinada por esta teoria, bem como pelas propriedades físicas das formas de matéria presentes no universo . É essencialmente de acordo com o último que as várias teorias cosmológicas surgirão.
As observações indicam que o universo está se expandindo. Era mais denso e quente no passado. Esta é a idéia básica do Big Bang , o modelo surgiu no meio do XX ° século . Indica que o universo como o conhecemos surgiu de uma fase densa e quente (sem pretender saber o que aconteceu no início desta fase), após a qual se encontrava em um estado extremamente homogêneo, ou seja, sem objetos astrofísicos ( estrelas, galáxias ...). Esses objetos foram posteriormente formados por um mecanismo chamado instabilidade gravitacional . À medida que os objetos astrofísicos se formam, as condições físicas no universo mudam, produzindo o universo como o conhecemos. O detalhe desses processos depende de muitos parâmetros, como a idade do universo, sua densidade e as propriedades das diferentes formas de matéria que coexistem no universo.
Na prática, os pesquisadores estão desenvolvendo modelos cosmológicos , ou seja, uma espécie de cenário que descreve aqui as diferentes fases pelas quais o universo passou desde e possivelmente durante o Big Bang. Na década de 1990, finalmente surgiu o modelo padrão da cosmologia , que representa o modelo mais simples capaz de explicar todas as observações cosmológicas.
A relatividade geral, a mecânica quântica e a teoria de campo , juntamente com inúmeras observações astronômicas hoje, nos permitem esboçar um cenário relativamente confiável da história do universo nos últimos 13 ou 14 bilhões de anos. Agora é comum falar de um modelo padrão de cosmologia , como o modelo padrão da física de partículas, embora o último seja quantitativamente melhor testado e mais restrito. O Modelo Padrão de Cosmologia é baseado no conceito de expansão do Universo e no fato de que ele foi mais denso e quente no passado (daí o termo Big Bang Quente). Sua descrição é baseada no uso da relatividade geral para descrever a dinâmica de sua expansão, e os dados de seu conteúdo material determinado em parte por observação direta, em parte por um conjunto de elementos teóricos e observacionais. Consideramos hoje que o universo é homogêneo e isotrópico (ou seja, sempre tem o mesmo aspecto, qualquer que seja o lugar de onde é observado e a direção em que é visto. Observe), que sua curvatura espacial é zero (ou seja, a geometria em grande escala corresponde à geometria usual no espaço ), e que é preenchida com uma série de formas de matéria, para saber:
A isso se soma a radiação eletromagnética , principalmente na forma de um fundo homogêneo de fótons da fase densa e quente da história do universo, o fundo difuso cósmico . Há também um fundo cosmológico de neutrinos , não detectado até agora, mas cuja existência foi comprovada por um certo número de observações indiretas (veja o artigo para mais detalhes), bem como um fundo cosmológico de ondas. Gravitacional , também não detectado, diretamente ou indiretamente.
É provável que no passado o conteúdo material tenha sido diferente. Por exemplo, não existe, ou apenas muito pouca, antimatéria no universo, no entanto, acredita-se que no passado matéria e antimatéria existiam em quantidades iguais, mas um excedente de matéria comum surgiu. Formado durante um processo, ainda mal compreendido , chamada de bariogênese . Atualmente, apenas as eras mais remotas da fase de expansão do universo são mal compreendidas. Uma das razões para isso é que não é possível observar diretamente essas épocas, a radiação mais distante detectável hoje (o fundo difuso cósmico ) tendo sido emitida cerca de 380.000 anos depois. Existem vários cenários que descrevem algumas das eras anteriores, dos quais o mais popular é o da inflação cósmica .
O destino do Universo não é, atualmente, conhecido com certeza, mas um grande número de elementos sugere que a expansão do universo continuará indefinidamente (ver aceleração da expansão do universo ). Outra questão não resolvida é a da topologia do universo, ou seja, sua estrutura em uma escala muito grande, onde várias ideias foram propostas (ver o artigo Forma do Universo ).
A noção de universo evoluiu ao longo da história . Enquanto a Terra era geralmente considerada um ponto fixo (teoria geocêntrica , defendida entre outros por Aristóteles e Ptolomeu ), o Renascimento viu o surgimento da ideia de que nosso planeta não ocupava uma posição privilegiada no universo ( princípio de Copérnico ), e foi certamente não no centro disso. É a partir do XVII ° século que os primeiros instrumentos de observação astronômica foram introduzidos ( telescópio astronômico do Galileo e do telescópio de Isaac Newton ), para examinar os cosmos , e pensar sobre a sua estrutura e, a partir do XX ° século , sua história e sua evolução.
Desde o XVIII th século , cosmologia foi emancipado da metafísica e teologia : a distinção entre cosmologia científica e cosmologia religiosa , os dois objetos deste artigo é discutido no parágrafo seguinte. Os parágrafos restantes tratam do ângulo moderno da cosmologia científica.
Pode-se ficar surpreso que o termo "cosmologia" seja usado tanto no campo científico quanto no religioso. Alfred North Whitehead é o pensador que melhor explica por que isso acontece, em sua obra principal, Trial and Reality - An Essay on Cosmology (1929). “Cosmologia” é, no vocabulário do autor, sinônimo de “ metafísica ”. Este é o objeto da filosofia especulativa , definida como "a tentativa de formar um sistema de idéias gerais que é necessário, lógico, coerente e de acordo com o qual todos os elementos de nossa experiência podem ser interpretados" (PR p45) como um caso especial. do esquema geral. Cada palavra conta. Procurar explicar todos os elementos de nossa experiência supõe um sistema de idéias, nenhuma idéia sozinha pode explicar tudo. Adequado é um sistema de idéias que não deixa nada escapar e é responsável por tudo, que tem a mesma textura da experiência (p46). É coerente um sistema em que cada ideia leva em consideração todas as outras em uma relação de pressuposto mútuo; nenhum dos dois faz sentido considerado isoladamente. Esse sistema deve necessariamente partir da linguagem comum do dia-a-dia, que é um tanto vaga, a contrapartida de sua polissemia. Whitehead escolhe as palavras que usa com cuidado e, se recorre a neologismos, é para extrair as palavras da gangue de emoções e indicações que elas inevitavelmente levam consigo. "Cosmologia" não é apenas o objeto da ciência especial indicada por este nome, aquele ramo da astrologia que estuda o universo . É o estudo de todas as ciências na medida em que cada uma é o lugar de uma experiência de uma região do universo , a única que designa a totalidade do que é.
Para Aristóteles , a Metafísica significa simplesmente o que está além da experiência. Para Whitehead , o que está além da experiência são outras experiências, mas também a linguagem. É por isso que é aconselhável ter cuidado com o último. Todo o esforço de uma metafísica racional consiste em uma espécie de exame do uso da linguagem, a fim de evitar a criação de uma "localização falaciosa do concreto". Pensar, como Newton , que a matéria não é criativa, que é um dado não evolutivo, é um exemplo de localização falaciosa do concreto, por envolver outros, pois é necessário, neste caso, supor que o dado foi criado. . Pensar que as sensações são o puro dado da experiência é outro exemplo de localização falaciosa do concreto, pois na realidade as sensações são fruto dos órgãos, da nossa história, etc. e que isso só pode ser verificado por meio de um exame rigoroso. As ciências especiais, por sua mútua ignorância do trabalho alheio, sua ingenuidade em relação a especialidades diferentes das suas, nunca cessam de criar tais localizações falaciosas do concreto. Whitehead estava extremamente preocupado com essa fragmentação do trabalho científico, que não gera mais cientistas, mas profissionais de um estreito domínio de experiência.
O autor considera que procede na ordem inversa de todos os outros projetistas de sistemas metafísicos. Para ele, os primeiros princípios da metafísica não são a base que permite desenvolver o sistema, mas o objetivo da discussão (PR: 52). Eles nunca podem ser totalmente formulados, seu conhecimento é assintótico. Qualquer desenvolvimento de sistema é uma “aventura de ideias”. São ideias postas à prova (RP: 62). Tais princípios são, no entanto, essenciais, porque só eles permitem verificar o rigor dos conceitos utilizados nas várias ciências. A autarquia das ciências especiais positivas (biologia, física, etc.), em nome da qual a metafísica é geralmente rejeitada, cria um conjunto de lacunas entre as disciplinas que torna impossível criticar conceitos que, apesar de tudo usado e definido, são diferentes , por cada uma dessas ciências. As deficiências da especialização são constantemente criticadas por Whitehead , por todos os tipos de razões que iremos descobrir aos poucos. Um deles é que o monopólio das ciências especiais sobre os conceitos cria uma polissemia que ninguém controla. Assim, um "campo" receberá uma definição em física muito diferente daquela que recebe em agronomia, sem que haja uma discussão crítica sobre a relevância do termo, sobre sua capacidade de indicar experiência sem enganar. Whitehead desconfia muito das abstrações, de certa forma toda a sua filosofia está voltada para esse único objetivo de evitar "abstrações mal colocadas" ou "localização falaciosa do concreto", que nos levam a becos sem saída e geram essa metafísica como campo de batalha que Kant tinha razão. denunciar. Whitehead, ao contrário, busca ficar o mais próximo possível da experiência. Pretende mostrar audácia especulativa e humildade diante dos fatos (PR: 66). “É em seu tratamento de 'fatos teimosos' que as teorias modernas da filosofia são mais fracas” (PR: 226). Embora procure levar em consideração todas as ciências, Whitehead inspira-se em particular em Einstein e na física quântica.
Ficar o mais próximo possível da experiência é rejeitar a diferença entre “qualidades primárias” (o que a ciência matemática destaca) e “qualidades secundárias” (o que apreendemos na experiência). Esse é um ponto crucial da filosofia de Whitehead , que se junta à preocupação romântica: não omitir nenhuma experiência, dar conta de todas elas. As dificuldades da metafísica moderna residem na maneira de explicar a percepção (PR: 208). A preocupação subjacente também é de natureza democrática, como veremos mais tarde: nenhuma experiência deve ser descartada apenas por motivo de autoridade. A experiência só pode ser explicada pela experiência. “A elucidação da experiência imediata é a única justificativa de um pensamento; e o ponto de partida do pensamento é o exame analítico dos componentes dessa experiência ”(P&R p46). Isso o leva a criticar as teorias herdadas da percepção, sejam elas sensualistas ou subjetivistas. Sensualistas, ele censura por se aterem ao "presente imediato", deixando de ver que os "dados" da experiência nunca são "claros e distintos" e exigem sempre que as investigações sejam esclarecidas. Assim, o exame do olho permite compreender que percebemos apenas determinados comprimentos de onda, e o uso de instrumentos permite tornar perceptível o que não era apenas pelos sentidos. O subjetivismo que ele atribui a Kant também não se sustenta, mais do que a única lógica, porque nada, na experiência, permite atribuir a organização das coisas ao único entendimento. Isso não significa que não haja nada a ser aprendido pelos sentidos ou pela lógica, pelo contrário; mas o campo de validade dos ensinamentos resultantes dessas experiências deve ser estabelecido de forma a não transgredir seus direitos. O método real é como pilotar um avião, ele vai e vem da experiência para a "racionalização imaginativa" (PR: 48). A tarefa da filosofia é também recuperar a totalidade rejeitada nas sombras pela seleção para a qual a consciência constantemente procede e, de modo mais geral, as percepções (PR: 64).
Para Whitehead, o universo é criatividade. Deus e o divino são o ápice da criatividade, o fundamento da ordem e o estímulo do novo. Não é o que já existia antes da criação do mundo, no passado, mas o que existe com toda a criação, que nunca cessa (PR: 167). É apropriado falar de "deus" porque essa criatividade é inexplicável e inexplicável, é o fundamento último da realidade. É Platão no Timeu que coloca a criatividade na base do processo cosmológico. Se a matéria não fosse criação, como em Newton, teríamos que assumir um criador inicial. Isso não é necessário em Whitehead, e isso porque este autor considera que esse Deus criador é inacessível à experiência e, portanto, constitui o próprio tipo de "localização falaciosa do concreto". Teremos entendido que a cosmologia de Whitehead permanece kantiana por completo, no sentido de que Kant queria permanecer dentro dos limites da experiência. A diferença é que Whitehead propõe uma teoria da percepção completamente diferente, baseando-se muito menos em categorias "a priori", que ele considera muito subjetivas, e muito mais no resultado das ciências especiais, visto que são, cada uma delas, uma experiência da realidade.
Ciência e religião, portanto, têm o mesmo objeto, o que explica por que existem cosmologias "religiosas" e outras cosmologias "científicas". A diferença entre os dois deve ser julgada pragmaticamente, com base na experiência. "Religião" não deve ser entendida em um sentido ingênuo, como um conjunto de crenças sem base científica. Essas definições só poderiam vir de não especialistas em religiões. Os teóricos da religião são Durkheim , Mauss, Bourdieu, Baechler, Gauchet, Moscovici, Sartre , etc. Podemos pelo menos definir o religioso como a experiência do sagrado, e o sagrado como aquilo que, em uma sociedade, é importante. Importância é o que mantém uma empresa unida. É durante as cerimônias que o que é importante é reafirmado, sempre ameaçado de ser levado pela criação incessante da novidade; é durante as revoluções ( Durkheim fala de "efervescência") que mudam as bases do que é importante.
Na Idade Média, a teologia e a cosmologia eram estudadas pelos mesmos intelectuais. Whitehead ressalta, aliás, que se Galileu estava certo em dizer que a Terra se move, a Igreja estava certa em dizer que era o sol que se move, o que a teoria da relatividade finalmente explica, ao mostrar que ambos se movem, em um universo onde tudo se move. Devemos também levar em consideração os instrumentos da época. Estrelas distantes pareciam fixas e sua natureza dificilmente poderia ser entendida sem um telescópio. Whitehead relata sobre isso. A experiência pode ser mudada pela invenção deste ou daquele instrumento. A experiência que temos do real sem instrumento não é menos válida por tudo isso. Sempre vemos o sol cruzando o céu e a terra parada sob nossos pés, é apenas uma outra perspectiva dos mesmos objetos. Os objetos são suscetíveis a um número indefinido de perspectivas, nenhuma das quais é mais verdadeira do que a outra.
Na classificação de Christian Wolff ( 1729 ), a cosmologia era uma das três disciplinas da "metafísica especial", junto com a teologia (deus) e a psicologia (a alma).
Por natureza, as cosmologias científicas são confrontadas com o método científico , e são armadas para serem teorias satisfatórias as mais compatíveis com as observações em um dado momento. À medida que a qualidade das observações melhora, as teorias são regularmente refinadas, de modo a levá-las em consideração, de acordo com o progresso científico e tecnológico. Em alguns casos, elas podem ser abandonadas em favor de outras teorias se as observações se mostrarem impossíveis de conciliar com elas. Grandes mudanças de paradigma permanecem relativamente raras na história da cosmologia (abandono do geocentrismo em favor do heliocentrismo, descoberta de escalas de distância interestelares, a estrutura da Via Láctea e a expansão do Universo. ). Mudanças menos drásticas em uma dada teoria são mais frequentes (acréscimos de inflação cósmica , matéria escura e energia escura ao Modelo Padrão de Cosmologia , por exemplo).