Big Bang e Termodinâmica

Criacionistas costumam argumentar que a evolução biológica viola as duas leis da Termodinâmica.Um excelente artigo de Marcus Valário XR (autor do site Evolução Biológica, http://www.evo.bio.br/) , mostra porque eles estão equivocados: http://www.evo.bio.br/LAYOUT/termo.html

Entretanto, Marcus Valério XR explica de forma errada porque o Big Bang (assim como as teorias de origem do Universo) não viola as duas leis termodinâmicas.Pensando nisso, enviei uma mensagem ao seu livro de mensagens.Vejam o conteúdo:
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Olá, Marcus.

Queria vim aqui fazer alguns comentários sobre o artigo “A Acalorada Questão Termodinâmica”.Vou fazer uma análise-crítica deste texto.Usei como base “O Tecido do Cosmo” (Cia das Letras) de Brian Greene e “O Universo Numa Casca de Noz” de Stephen Hawking (Editora ARX) e também um texto do engenheiro mecânico Nelson Magrini posto num fórum (http://www.rv.cnt.br/viewtopic.php?t=958&start=0) .Só depois de ter adquirido um conhecimento mais aprofundado sobre Cosmologia, me senti com capacidade de fazer isso.

Você diz: “E o que a Teoria do Big Bang faz é afirmar que a matéria sempre existiu, ainda que totalmente condensada num único Super Átomo. O que havia antes do Big Bang não é objeto de estudo da Ciência. (...) O Primeiro Princípio declara indiretamente que a matéria e energia do Universo sempre existiram e sempre existirão, afinal nada pode ser criado ou destruído. Portanto, o Universo seria Eterno”

Errado, um Universo que fosse Eterno teria acumulado Entropia infinita, o que é um absurdo!E não é verdade que, segundo o Big Bang, a matéria sempre existiu.Segundo a versão mais aceita dela (Teoria do Universo Inflacionário), a existência da matéria no Universo teve um começo bem definido.Por incrível que pareça, é amplamente aceito entre os cosmólogos que isso pode ocorrer sem violar qualquer Lei Termodinâmica!

A existência do Universo está correlacionada a existência de um campo escalar que até hoje interage com o nosso Universo, o campo de Higgs.O tipo particular de campo de Higgs que inflou o Universo é chamado campo de inflaton.Uma característica peculiar deste campo é que sua pressão é negativa (a diferença entre pressão negativa e positiva gera uma força: repulsiva, quando a pressão negativa é maior e atrativa quando a pressão positiva é maior), a força que ele gera é cumulativa e se assemelha um pouco a constante cosmológica que Einstein encontrou em suas equações, com a diferença que seu valor é 10 elevado a 120 mais elevado.Outra coisa, nós não notamos a força que esse campo gera porque ela é desprezível para corpos relativamente próximos um do outro (como o Sol e a Terra), sendo significativa para galáxias que estão a bilhões de anos luz umas das outras.

Quando este campo atingiu um valor arbitrário e de forma uniforme num recanto do espaço, então se gerou uma pressão negativa que fez o espaço-tempo explodir. Ainda segundo esta teoria, a matéria e a radiação foram produzidas ao fim da expansão inflacionária acelerada (que durou 10 elevado a –35 segundos), quando a energia acumulada pelo campo do inflaton foi liberada em razão de ele ter caído da superfície mais alta para o fundo da bacia de energia potencial.A questão é que o campo de inflaton é um parasita gravitacional-ou seja, a matéria e a energia por elas transportadas aumentam com a expansão do espaço (quando o Universo se expande, a matéria e a radiação transferem energia para gravidade e o campo de inflaton adquire energia a partir da gravidade).No Universo primordial, a análise matemática revela que a densidade de energia permaneceu constante durante toda a era inflacionária.Como o Universo se expandiu a um fator de 10 elevado a 30, isso quer dizer que o volume do espaço por ele preenchido se expandiu a um fator de 10 elevado a 90.Conseqüentemente, a energia se multiplicou por esse mesmo enorme fator.O campo de inflaton não precisaria de uma quantidade enorme de energia para produzir a estupenda quantidade de massa/energia observada hoje, já que a expansão que ele estava prestes a gerar aumentaria de forma considerável a quantidade de energia por ele transportada.Cálculos simples revelam que um grão com diâmetro de 10 elevado a –26 cm e pesando 10 quilos, permeado por um campo de inflaton uniforme seria capaz de gerar a estupenda quantidade de massa/energia existente hoje.

Como acontece com todos os Sistemas Quânticos Excitados, também o Falso Vácuo é instável e tende a decair.Quando a inflação cessou, a força de repulsão desapareceu e a gravidade comum passou a superar a repulsiva (observando dados de recessão das supernovas, cientistas concluíram que até 7 bilhões de anos atrás, a expansão foi desacelerada e voltou a se a acelerar depois disso). O método descrito acima só se encerra através do super-resfriamento do campo de Higgs, algo que aconteceu nos instantes iniciais do Universo e é similar a uma Transição de Fase da água se transformando em gelo.Esse fenômeno se diferencia da Transição de Fase sob dois aspectos.Primeiro, a coisa que “congelou” foi o campo de Higgs, que se transformou na matéria/energia existente no Universo.Segundo, o Universo quente se resfriou e "congelou" a uma temperatura altíssima.

Aí chegamos ao que quero explicar: de onde veio a energia primordial do Universo?Segundo a teoria inflacionária, do Vácuo Quântico.Alguns perguntarão como o Vácuo adquiriu esta energia.A chave para responder isso é que o princípio de conservação de energia não se aplica em uma realidade quântica.Especialmente, os físicos de partículas sabem que a energia do vácuo pode flutuar de tal maneira que partículas virtuais podem ser criadas.Elas não podem ser vistas, mas deixam vestígios físicos que podem ser observados.Essas partículas “violam”, ainda que por um tempo infinitesimal, a Primeira Lei da Termodinâmica.Isso é um processo amplamente observado e demonstrado.Eis agora o porquê de se dizer que o Big Bang não viola o princípio da conservação de energia num sentido habitual.Acredita-se que o Universo começou com energia NULA.A energia potencial gravitacional de um campo gravitacional é uma energia negativa.Num contexto de Universo Inflacionário, a energia gravitacional negativa da matéria recém criada, compensaria o calor e a matéria criados, conservando NULA a Energia Total do Universo (Guth 1997: http://www.talkorigins.org/indexcc/CF/CF101.html) .À medida que o Universo se expande, ele retira energia do campo gravitacional para criar mais matéria.Como a energia positiva da matéria é exatamente contrabalançada pela energia negativa gravitacional, isso implica que, quando o Universo dobra, tanto a energia da matéria e quanto a gravitacional dobram; entretanto o dobro de zero continua sendo zero! (Hawking 2002, p.91).

Brian Greene defende que a teoria inflacionária é melhor vista como um evento que teve lugar num Universo pré-existente, não como a criação do Universo (apesar que ela resolve problemas que o modelo padrão do Big Bang não conseguia, como a incrível isotropia e planura do Universo e a enorme existência de massa/energia contida nele).Mas ele especula o que pode ter acontecido no Universo pré-inflacionário.O campo que dirige e gera a inflação é o campo de Higgs.Mostra-se, contudo, que para funcionar o cenário inflacionário necessitaria de um ajuste fino na física de partículas.Ele argumenta que, assim como uma máquina de caça-níqueis em que você joga mais cedo ou mais tarde apresentará a configuração de três ouros caso se espere tempo suficiente, mais cedo ou mais tarde uma flutuação do campo de inflaton apresentará valor correto e uniforme num grão mínimo (nem precisaria ser grande, bastaria ter 10 elevado a –26cm de diâmetro) num espaço turbulento e caótico onde o valor do campo de Higgs saltava para cima e para baixo aleatoriamente.Inúmeras flutuações do inflaton devem ter fracassado, assim como inúmeros apostadores de caça-níquel também fracassam diariamente.

Outro trecho que comentarei: “Por outro lado a Segunda Lei declara que, se sendo o Universo um sistema fechado, estaria em irreversível aumento de Entropia. Portanto a Entropia inicial do Universo deveria ser Mínima, apesar do Calor ser Máximo. Todavia a Terceira Lei coloca que a Entropia Mínima só é possível numa Temperatura Mínima. De fato esse questionamento é, filosoficamente, válido. E eu e vários filósofos concordamos plenamente com a existência de uma intervenção externa ao Universo conhecido”.

Brian Greene responde (p.204-207) cientificamente e sem nenhum esforço a esse questionamento “filosoficamente válido” e que depende de uma “intervenção externa”.Ora, como a entropia pode ser mínima numa situação de calor máximo?Embora uma massa de gás quente seja uma configuração de alta entropia quando a densidade é tão baixa que a gravidade não importa, deve se levar em conta que quando a gravidade é significativa (como no Universo primitivo), o efeito da entropia é diferente da situação onde a gravidade não importa.Uma massa quente de gás difusa com gravidade significativa inevitavelmente geraria uma força de atração em todos os pontos do espaço, levando a formação de aglomerados altamente ordenados e com baixa entropia.Mas a entropia total do sistema não diminui por causa disso.A diminuição da entropia em cada aglomerado é mais que compensado pelo aumento de entropia resultante do calor gerado pela compressão dos gases e pelo calor e luz liberados, quando os processos nucleares começam operar.

A inflação também não viola a Segunda Lei da Termodinâmica.Embora seja verdade que a entropia gravitacional diminui no processo que descrevi em um parágrafo anterior, isso foi compensado porque ao fim da expansão inflacionária foram produzidas 10 elevado a 80 partículas de matéria e radiação.Esse número enorme de partículas tem alto grau de entropia, mais que suficiente para que a Segunda Lei da Termodinâmica não fosse violada.

Para concluir, queria dizer que você me deixou curioso ao ter recorrido ao argumento "sem Universo=sem leis físicas". Analisando tudo o que eu disse e a opinião dos cosmólogos, você acha mesmo possível alguma explicação sobre a origem do Universo violar leis termodinâmicas?