Quantas dimensões existem no Universo e o que é Matéria escura?

No início do século 20, a resposta para essa pergunta era tão óbvia quanto velha. Euclides, lá na Grécia antiga, já havia sacado que são 3 as direções possíveis para qualquer movimento para cima (ou para baixo), para a esquerda (ou para a direita) e para a frente (ou para trás). Portanto, o espaço possui 3 dimensões. Fácil, não?

Até que, em 1905, Eistein começou a bagunçar tudo. Nesse ano, ele fez 3 descobertas importantes e uma delas demonstrava que, ao contrário do que dizia a física até então, o espaço e o tempo não eram fixos e imutáveis. Na verdade, eles eram flexíveis e manipuláveis, de modo que era possível, sob certas condições, encolher o tamanho de um centímetro ou esticar a duração de um segundo. E o pior: a modificação sobre um estava atrelada à transformação do outro. Ou seja: o tempo era, do ponto de vista físico, indistinguível do espaço.

Com isso, deixou de ser possível falar em 3 dimensões – já que o tempo não podia mais ser colocado em uma gaveta distinta das outras dimensões. Ficou claro que tudo era uma coisa só: espaço-tempo, como os físicos hoje adoram dizer.

O fim da velha geometria

Até aí, bastava incorporar o tempo, que até Euclides conhecia, à lista das 3 dimensões existentes. Mas Einstein fez questão de complicar as coisas quando, em 1915, conseguiu aprofundar sua Teoria da Relatividade. Ao estudar os movimentos acelerados, ele percebeu que a gravidade era nada menos do que uma distorção na geometria das 4 dimensões. Saía de cena a geometria euclidiana e vinha em seu lugar uma geometria não-euclidiana (em que a soma dos ângulos de um triângulo não necessariamente dá 180 graus e linhas paralelas podem se cruzar).

Não satisfeito em pôr de cabeça para baixo a geometria básica do Universo, Einstein decidiu que o passo seguinte era unificar a física toda num só conjunto de equações. Naquela época, em que ninguém conhecia ainda as forças que agiam dentro dos átomos, a tão sonhada unificação era apenas uma questão de costurar a relatividade (que explicava a gravidade) e o eletromagnetismo (responsável, como você pode imaginar, pelos fenômenos elétricos e magnéticos, ambos relacionados à partícula que aprendemos a chamar de elétron).

Dimensões ocultas

Einstein não foi muito adiante com seus esforços, mas outros foram inspirados por sua busca. Entre eles, dois se destacaram muito cedo: Theodor Kaluza e Oskar Klein. Trabalhando individualmente em meados da década de 1920, os dois perceberam que, se a relatividade geral fosse reescrita para acomodar 5 dimensões, em vez de 4, as equações do eletromagnetismo brotavam naturalmente dela.

Mas tinha um probleminha: até onde se pode ver, o Universo não tem 5 dimensões, apenas 4. Klein, em 1926, sugeriu que não podíamos ver a 5ª dimensão porque ela estaria enrolada em si mesma, como um tubinho minúsculo.

De lá para cá, outras forças que agiam no interior do átomo foram descobertas e, por algum tempo, a idéia de dimensões extras foi esquecida. Foi então que surgiu a Teoria das Supercordas – a noção de que as partículas que compõem o Universo poderiam ter a forma de cordas vibrantes (com cada vibração dando as características da partícula). Os físicos desconfiam que, a partir dessa premissa, seria possível descrever todos os componentes da natureza numa única teoria – mas só se o Cosmos possuísse nada menos que 26 dimensões.

Uma dimensão enrolada escondida, vá lá. Mas quem vai acreditar em 22 dimensões escondidas? Como explicar que 4 dimensões são aparentes e as outras todas ficam ocultas? Pois é, como os próprios físicos achavam essa idéia difícil de engolir, começaram a trabalhar numa forma de reduzir o número de dimensões necessárias. Hoje eles já conseguiram fechar com 10 ou 11 dimensões – e muitos pesquisadores acreditam que o número não vai cair muito mais que isso. Ou seja, se a Teoria das Supercordas estiver certa, o Universo deve estar cheio de dimensões enroladas e, portanto, invisíveis.

Matéria escura

Evidência da Matéria escura

Várias observações cosmológicas sugerem fortemente que há muito mais matéria em nossa Galáxia e em outras galáxias do que aquela que vemos. Uma das mais convincentes dessas observações é a de que as estrelas nas regiões externas de galáxias espirais, como a nossa Via Láctea, orbitam rápido demais para que sejam mantidas em suas órbitas apenas pela atração gravitacional das estrelas que vemos.

Sabemos, desde os anos 1970, que há uma discrepância entre as velocidades rotacionais observadas nas regiões externas de galáxias espirais( indicadas pelos pontos no diagrama) e as velocidades orbitais esperadas de acordo com as leis de Newton, da distribuição das estrelas visíveis na galáxia (a curva contínua no diagrama). Essa discrepância indica que deveria haver muito mais massa nas partes exteriores das galáxias espirais.

Natureza da Matéria Escura

Os Cosmólogos agora acreditam que, enquanto as partes centrais da galáxias espirais consistem principalmente em matéria comum, seus halos são dominados por matéria escura que não vemos diretamente. Mas um dos problemas fundamentais é descobrir a natureza da forma dominante de matéria escura nessas regiões externas das galáxias. Antes da década de 1980, geralmente se supunha que essa matéria escura fosse matéria comum, constituída por prótons, nêutrons e elétrons em forma não facilmente detectável: telvez nuvens de gás, ou MACHOs - " Massive Compact Halo Objects" ( ojetos compactos massivos do halo) - como anãs brancas ou estrelas de nêutrons, ou mesmo buracos negros.

No entanto, estudos recentes da formação de galáxias levaram os cosmólogos a acredita que uma fração significativa da matéria escura( na realidade a maior fração dela) deveria estar em uma forma diferente da matéria comum. Talvez ela se origine das massas de partículas elementares muito leves, como áxions ou neutrinos. Pode também consistir em espécies mais exóticas de partículas, como os WIMPS- "Weakling Interacting Massive Particles" (partículas massivas fracamente interagentes" -, previstas por modernas teorias de partículas elementares, mas ainda não detectadas experimentalmente.

Mundo Sombra

A massa faltante segundo, Stephen Hawking,  também poderia ser uma evidência da existência de um mundo sombra contendo matéria. Não poderíamos ver uma galáxia sombra em uma brana sombra porque a luz não se propagaria pelas dimensões extras, mas a gravidade sim. Explicando ,assim, a curva de rotação de nossa Galáxia que seria afetada pela "matéria faltante" que poderia ser matéria comum de um mundo sombra, ou matéria escura; ambas as possibilidades não podemos visualizar.

Fontes: O Universo numa casca de Noz - Stephen Hawking
Revista: Superinteressante, junho, 2007

Por: Maurício Luiz Moresco