Singularidade

O destino de toda a matéria que cai em um
buraco negro é ser esmagada a um ponto de
volume zero e infinita densidade— uma
singularidade. A relatividade geral também
 implica que nosso universo em expansão
originou-se de uma.

Uma singularidade é uma região no espaço-tempo em que as forças gravitacionais são tão fortes que mesmo na relatividade geral, a bem-provada teoria gravitacional de Einstein, e a melhor teoria que usamos para descrever a estrutura do universo, quebra-se nesse caso.
Uma singularidade marca um ponto onde a curvatura espaço-temporal é infinita, ou, em outras palavas, possui volume zero e densidade infinita. A relatividade geral demanda que singularidades surjam em duas circunstâncias. Primeiro, ela deve-se formar durante a criação de um buraco negro. Quando uma estrela massiva alcança seu fim, seu núcleo, que foi previamente mantido pela pressão da fusão nuclear que ocorria, colapsa-se e toda sua matéria nuclear é esmagada para fora da existência, na singularidade. Segundo, a relatividade geral mostra que sob certas suposições razoáveis, um universo em expansão como o nosso pode ter começado como uma singularidade.

Fonte: Stephen's Hawking Universe - Strange Stuff Explained (BBC/PBS)

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E = mc²

Albert Einstein (Photo credit: Wikipedia)

A mais famosa das equações de Einstein, E = mc² diz que energia (E) e massa (m) são equivalentes. Em outras palavras, massa pode ser convertida em energia e vice-versa. O fator de conversão é a velocidade da luz, uma valor enorme que equivale a  299 792 458 metros por segundo. 
Isso indica que uma pequena quantidade de matéria pode transformar-se em uma imensa quantidade de energia. Esse é o segredo das estrelas, onde altas temperaturas e densidades permitem átomos leves fundirem-se em alguns mais pesados. Cada átomo pesa menos que os que a soma dos que formaram esse e a diferença é convertida em energia que mantém as estrelas brilhando. O processo pode ser trabalhado de forma reversa: energia pode ser transformada em massa. Cosmologistas pensam que como a matéria no universo primordial - no primeiro segundo após o Big Bang, fótons de incrível energia colidiram entre si, criando pares de partículas e antipartículas.

Fonte: Stephen's Hawking Universe - Strange Stuff Explained (BBC/PBS)

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Albert Einstein

Albert Einstein em 1921
(http://pt.wikipedia.org/wiki/
Albert_Einstein)

A resposta do século 20 à Isaac Newton, Albert Einstein (1879-1955) revolucionou nossos conceitos de espaço e tempo e desenvolveu teorias usadas para construir os modelos do universo. Ele nasceu em Ulm, Alemanha, mudando-se com sua família para Munique pouco depois. Ele mostrou um pouco de proeza acadêmica quando adolescente, mas não começou a deixar sua marca antes que se muda-se para Zurique, Suiça. Trabalhando como funcionário de um escritório de patentes em Berna no início do século, ele foi capaz de gastar seu tempo livre estudando física.
O grande ano de Einstein foi 1905, quando produziu três artigos de tremendo significado. Um deles deu uma descrição matemática para o movimento aleatório de pequenas partículas*. Um segundo descreveu o efeito fotoelétrico, no qual elétrons são emitidos quando a luz incide em certos metais (muitos impressionam-se ao saber que ele ganhou o Prêmio Nobel devido essa descrição e não devido suas teorias da relatividade). Seu terceiro artigo no ano era sobre a relatividade especial, na qual ele descreveu a física de objetos movendo-se a velocidades constantes e descobriu a equivalência de massa e energia, relatada pela equação E=mc². Einstein levou mais 10 anos para desenvolver sua teoria da relatividade geral, a qual descreve o universo como um todo e forma a base para o entendimento da estrutura do universo.

Fonte: Stephen's Hawking Universe - Cosmological Stars (BBC/PBS)

*Nota do Tradutor¹: Movimento Browniano

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Radioatividade

Antoine Henri Becquerel - Em 1895
descobriu acidentalmente uma nova
propriedade da matéria que,
posteriormente, denominou de
radiatividade. Ao colocar sais de urânio
sobre uma placa fotográfica em local
escuro, verificou que a placa enegrecia.
Os sais de urânio emitiam uma
radiação capaz de atravessar
papéis negros e outras
substâncias opacas a luz.
(WIKIPEDIA)

Um momento chave da busca científica para compreender a estrutura da matéria veio quando foi percebido que nem todos os elementos eram estáveis. O núcleo de vários elementos pesados - urânio, rádio e plutônio, para nomear alguns - são instáveis, espontaneamente decaem em outros núcleos e liberam energia no processo. Essa radioatividade pode ocorrer de três formas: decaimento alfa, decaimento beta e decaimento gama. No primeiro, uma partícula alfa (núcleo de hélio, consistindo de dois prótons e dois nêutrons) é lançada para fora do núcleo em alta velocidade. No segundo, uma partícula beta energizada (um elétrons ou sua antipartícula, o pósitron) é emitida. E da terceira forma, usualmente de imediato após um decaimento alfa ou beta, um fóton de raio gama de alta energia é irradiado do núcleo. A quantidade de energia liberada no decaimento radioativo depende em diferenças de massa entre os núcleos original e final multiplicada pela velocidade da luz ao quadrado, como expresso pela famosa equação de Einstein E=mc².

Fonte: Stephen's Hawking Universe - Strange Stuff Explained (BBC/PBS)

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A constante cosmológica

Einstein em seu escritório na
Universidade de Berlim.

“O maior erro da minha vida," como foi chamada depois por Einstein, a constante cosmológica representa uma força hipotética de repulsão. Quando Einstein desenvolveu sua teoria da relatividade em 1915, ele observou que a equação requeria um universo em movimento. Acreditava-se na época, entretanto, que o universo era estático. Ele então inventou uma constante cosmológica para balançar a força da gravidade, permitindo galáxias permanecerem em distâncias fixas. Em retrospecto, parece impressionante que ninguém pensou em um universo em expansão. Mas a ideia de um universo estático - nem em expansão ou contração - aparentemente era tão forte na mente dos cientistas na época como a ideia de que os planetas moviam-se em padrões circulares para os gregos, séculos antes.
       Einstein não percebeu que a constante cosmológica era um erro até Edwin Hubble mostrar que todas as galáxias movem-se em relação às outras, um resultado que seria predito por Eintein se tivesse mantido suas equações originais. Uma vez que o gênio estava fora da garrafa, entretanto, era difícil de colocar de volta. Muitos físicos continuam a usar a constante, pois permite maior liberdade na construção de modelos do universo.

Fonte: Stephen's Hawking Universe - Strange Stuff Explained (BBC/PBS)

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