sexta-feira, 19 de junho de 2020

A causa do Big Bang

A causa do Big Bang 

(Leis de conservação do Universo) 

     DOI (Registro): 10.29327/714790 
     Endereço: http://doi.org/10.29327/714790

    Direitos autorais: Biblioteca Nacional do Brasil (convenção de Berna);   
    Base: Registro 813.009; Livro : 1581; Folha: 61; Protocolo de requerimento: 2019 RJ 
    6480. 

     Autor: Sócrates Georges Petrakis

     Formado em Física, Universidade Federal De Minas Gerais (UFMG)

     Contato: E-mail: sgeorgespp@gmail.com

     Introdução:

    A teoria mais aceita sobre a evolução do Universo foi testada desde um determinado estado inicial, e descreve atualmente a presença de uma expansão acelerada [1]. No entanto, ainda surgem propostas para a estrutura geradora deste início expansivo.
    Estudos, ao considerar tal expansão, evidenciam o fato de que para um começo, tudo se encontrava ocupando um volume mínimo. Desta forma, muitas análises deste estado inicial, o associam às densidades extremas presentes em buracos negros [2].
   Embora o uso da relatividade, na maior parte das vezes, indique a presença de uma singularidade interna [2], existem casos que descrevem a possibilidade da inexistência desta, em buracos negros chamados regulares [3] [4].
    Esta indefinição, associada ao fato de que estas estruturas não têm toda a massa e energia ou todos os constituintes do universo, pode indicar que tal associação não seja tão eficaz.
   Normalmente cálculos e resultados permitidos pela matemática relativística, indicam ou conseguem prever de forma correta uma realidade ainda não testável. No entanto tal permissão não pode ser válida, caso desrespeite outros contextos, ou leis Físicas já bem estabelecidas.
    Assim, destacando a observação e a aplicação de importantes leis Físicas de conservação, será verificada qual é a possibilidade do Universo, em seu estado inicial, ser representado por um ponto que tende a ser infinitamente pequeno, e em seu estado final, se dissipar completamente, como previsto. 

     Desenvolvimento: 

     O Universo pode ser considerado o máximo lugar delimitado pela presença de massa e energia ou dos componentes de qualquer formação [6]. Sendo detentor de qualquer existência a cada instante, o total de energia e movimento sempre se conserva [7].  
    Para a Análise desta conservação, é proposta uma síntese das energias que podem estar presentes nas fases de maior e menor densidade.
     Como bóson, antimatéria, efeitos da quantização ou matéria e energias escuras podem ter surgido só após o início da expansão, a Energia Relativística de repouso (E0) [8], será utilizada como representante de todas as interações energéticas internas, quânticas ou estruturais (como as atômicas) de quaisquer massas em repouso.


  [E0 = – (m 0: massa de repouso). (c: velocidade da luz) ² 

   Assim, quando estas interações são desfeitas por dissipação, correspondem (por conservação),  a uma intensidade de energia igual a: (E0 = + m 0. c ²), representada pela propagação de ondas ou momento linear (p) relacionado energeticamente pelas relações de De Broglie [9] ou ao aumento de energia cinética.  
    A Energia Gravitacional (Eg), que também é considerada uma energia de natureza negativa (de ligação), que é relacionada à posição massiva [10].  
      A Energia cinética (Ec), nunca negativa, relacionada ao movimento relativo massivo ou energético (como ondas), e assim, ao espaço existente [11].  
      A energia total do Universo (ET) será analisada pela seguinte perspectiva:

           ET = – E0 – Eg + Ec            (Eq. 1) 

     Com o sinal negativo e os seus valores correspondentes indicando a intensidade de contração, e o positivo de expansão.  

    O Universo não tem uma expansão livre, pois em sua evolução sempre haverá a existência de forças atrativas ou de interação. 

     Iniciando uma análise, num estado de maior concentração, sem a presença de uma estrutura com características massivas, não existiriam as energias gravitacional (– Eg) e relativística de repouso (– E0) e assim, a energia total (ET) seria representada apenas por uma cinética de máxima intensidade, pelo movimento de partículas exclusivamente energéticas ou ondas (E ²= ((m 0. c ² ) ² = 0) + p ² c ²) [12]. Por esta não ser de ligação (–), e sim uma positiva tendo um valor alto, não corresponde a um estado de contração tão intensa, em um espaço que tende a não existir. Assim, antes do início expansivo, é proposto considerar a análise da existência de um Universo com característica massiva, para preservar a lei de conservação de energia.  

     Estudos descrevem em tal estado, tudo compactado em um ponto [2] [3], contraído totalmente, ou ao “infinito”. Ao considerar uma composição massiva sem uma presença espacial, não se caracteriza a existência de movimento relativo, não preservando a sua quantidade [13]. 

       Assim, um estado massivo com a maior densidade, teria à necessária existência de um menor espaço possível, que será relacionado somente à uma dimensão espacial [comprimento = 2. (Raio) = 2. R] e à uma temporal, correspondendo à conservação do movimento, com uma centrifugação (inércia) justificando tal tendência.
  
     Uma centrifugação não só evita, mas promove uma singularidade [14]. Ao considerar um estado massivo (que ocupa lugar), de máxima densidade, não se pode ter uma dimensão nula. Com a centrifugação máxima (de todo o Universo), pode haver deformação, planificação e dispersão para um estado de real de máxima contração (espacial unidimensional) [15]. 
  
    Certo comprimento pode gerar um volume ínfimo, desde que a largura e espessura sejam os menores possíveis.
  
                                (Volume = comprimento. largura. Espessura). 

    Mesmo sendo o menor possível, um espaço presente em uma dimensão espacial dividiria toda existência em duas partes, filamentos massivos ou ondas: (2 . R). 

    Pouco espaço proporciona pouco movimento relativo. Em um estado contraído ao máximo, para a conservação da quantidade de movimento (QT), a massa (m) existente tem que ser máxima, com a concentração dispersada em uma extensa e única dimensão espacial, tornando o momento de inércia (I) máximo.

      Com (QT) proporcional a: m. R. w , mesmo considerando  a velocidade angular (w) quase nula, o produto é suficiente para a conservação.  

      Um Universo anterior à expansão, concentrado em apenas em um ponto ínfimo ao infinito, sem a presença de algum espaço, não conservaria a quantidade de movimento total.
    
     Uma energia total de máxima contração ou concentração (ET máxc) é negativa (ligação) com um valor máximo:

                  ET máxc = – Eg (Máxima) – E0 (Máxima) + Ec (Mínima)           ( Eq. 2 )  
       
     Para uma energia gravitacional máxima, as massas que representam as duas partes (com movimento relativo quase nulo) tem que ser iguais em quantidade.

       No entanto, para a existência de qualquer ínfimo espaço, uma menor parte possível de uma destas, tem que estar em um estado de dissipação total.

     Por tal diferença, para a máxima contração, antes do início expansivo, uma destas estruturas, separadas pelo menor espaço central, alcançaria um completo estado em uma dimensão espacial, com a outra ainda tendo uma ínfima quantidade massiva em duas, apresentando outro menor espaço. 

       Sendo impossível determinar a menor massa dissipada, que gera o menor espaço, ou a maior quantidade de massa que existiu no universo em seu estado de maior contração, será considerado:
  
      (M 0 + M 0) = Quantidade total máxima de massa de toda existência, se não fosse necessária presença espacial. 
        (M 0  +  m 0) = total de massa se uma única e menor presença espacial fosse possível.
        Com (M 0 > m 0) e (M 0 ≅ m 0), ou quase igual em quantidade, semelhante (≅).

       E= (M 0 – m 0). c ²  = Energia que representa a menor presença do espaço, ou a menor quantidade de massa dissipada possível em uma dimensão espacial. 

         (m 0 + m 0) = total de massa com as duas menores possíveis presenças espaciais. 

      O Universo conhecido é composto por estruturas de três dimensões espaciais. No entanto estruturas bidimensionais ou unidimensionais serão analisadas com a presença de espaços em duas ou em uma dimensão, aonde será considerado poder existir as reais menores partículas massivas (M 0 – m 0). 

         Para o instante de máxima concentração é proposta as seguintes presenças: 

       1) Energia gravitacional máxima entre as duas unidades ou partes, que diminui só após o início da expansão.

     2) Energia cinética ínfima representada pelo movimento relativo, que é o mínimo de aproximação entre as partes, pelo menor espaço existente, no último instante antes da geração do início de uma expansão. 
      Ao percorrer uma transição da máxima contração para o início da expansão, a energia cinética diminui à medida que o espaço se aproxima de ser o menor possível.
     Como o espaço não pode deixar de existir, a cinética não se anula, [16] e intensifica muito com o início expansivo, pois a gravitacional e relativística de repouso se reduzem, com a conservação da energia total [7]. 

    3) Energia relativística de repouso (E0) que representa a interação entre as duas metades massivas, existentes pela presença de um espaço ínfimo central. 


     Se toda massa possível (m 0 + m 0) fosse dissipada, teríamos um equivalente energético de: (m 0 + m 0). c ² , correspondente à energia de repouso [8] (excluindo a dissipação já existente devida à existência dos dois ínfimos espaços). 

     Logo, no estado de máxima concentração, ao estar dissipada uma metade desta quantidade de massa da outra, a energia de repouso presente terá a metade deste equivalente. 

       A outra metade energética desta quantidade é a energia de ligação representada pela gravidade, uma vez que a ínfima energia cinética é relacionada com a existência dos ínfimos espaços [11]. 
  
      A presença de um ínfimo espaço é gerada pela mínima quantidade de matéria possível (M 0 – m 0), que se apresenta em dissipação completa. 

     Como estão presentes dois ínfimos espaços em uma máxima contração, a cinética pode ser representada pela energia: 2. (M 0 – m 0) c  ² . 

   Desta forma a energia total de um estado universal de máxima contração ou concentração (ET máxc.) pode ser representada por:

                          ET máxc. = – (Eg + E0) + (Ec ≅ 0); Como: Eg = E0;  
                          ET máxc. = – (2 . Eg) + (Ec ≅ 0)    
                          ET máxc. = – 2. (m 0 + m 0). c ² / 2 + (Ec ≅ 0); 
   
                          ET máxc. = – (m 0 + m 0). c ² + 2. (M 0 – m 0). c ²         (Eq. 3) 

    Existindo uma energia positiva (cinética) representando uma intensidade ínfima de expansão, e em um estado de contração máxima, mas não completa. 

    Considerando o estado atual de expansão acelerada, se toda massa possível que existiu, em um instante de máxima concentração, for dissipada por completo no futuro, ao ter a sua energia somada com a dos ínfimos espaços que existiram, por conservação, teríamos a seguinte energia total no instante futuro de máxima expansão:  

                           ET máxd = + (m 0 + m 0). c ² + 2. (M  0 – m 0). c ²  
                                 
     Como tal energia é diferente em módulo (valor ou intensidade) da energia de máxima contração:
                         [ET máxc = – (m 0 + m 0). c ² + 2. (M 0 – m 0). c ² ], 

        não haverá conservação de energia, com uma expansão completa.
    
     Para uma expansão máxima (ET máxd) que conserve a energia total, uma ínfima energia gravitacional e relativística de repouso, equivalente em valor à energia cinética no estado de máxima contração, tem que existir. 

                            ET máxd = + [Ec = (m 0 + m 0). c ² ] – (Eg ≅ 0 + E0 ≅ 0);

                            ET máxd = + (m 0 + m 0). c ² – 2. (M  0 – m 0). c ²         (Eq. 4) 

         E assim a energia total se conserva [7] em módulo (intensidade) com: 

                                               | ET máxc | = | ET máxd | 

           | – (m 0 + m 0). c ² + 2. (M 0 – m 0). c ² | = | + (m  0 + m 0). c ² – 2. (M 0 – m 0). c ² 
     
                                                                  (Eq. 5) 

     Uma das energias totais resulta em um valor negativo representando a contração máxima e a outra em um positivo representando a expansão.
  
        Desta forma, respeitando a lei de conservação de energia, o Universo apresentará no seu estado de máxima expansão, a mínima existência de massa.
   
     Apresentando massa e espaço, mesmo que um ou outro em quantidade ínfima [Temperatura (T) não chega ao zero absoluto], a energia nunca pode ser toda utilizada para realizar o trabalho da variação de volume [17] [18],(o universo tende a não se expandir ou dissipar por completo, mas ao máximo). 

        Como no estado de máxima contração, a energia que corresponde à formação dos dois ínfimos espaços vazios é igual à energia que representa as duas ínfimas massas no estado de máxima expansão, a variação de energia entre o total de massa e de espaço existentes em cada um destes estados será igual, ou seja, a entropia total ou a distribuição energética é a mesma nestes extremos. 

         Para ser igual, não pode haver variação de entropia total nos processos de variação de volume do Universo.  Os aumentos de entropia para o equilíbrio térmico localizado podem ser compensados em fases ou partes do universo, por constantes variações de concentrações de quantidade de massa e energia [19]. Assim, podem-se ter expansões seguidas de contrações de mesma intensidade.
  
      Boltzmann define entropia (S) como um estado de função: S = Kb (constante de Boltzmann). Ln (Ω) = o número do estado).

          Em Física estatística o Número de estado =
         (Ω) N ( o número de possíveis estados). P (quantidade de movimento). 

       Em um estado de máxima expansão, a quantidade de movimento e o número de possíveis estados são limitados pela energia (espaço criado por ondas) dispersa e limitada em apenas uma dimensão espacial ( N e P são mínimos, tornando a entropia : S ≅ 0 ).


          
           Um esboço para a  evolução Universal pode ser representado da seguinte forma:









       Conclusão: 

     Quaisquer partes do universo se relacionam energeticamente: pela interação atômica de seus componentes (E0), posição que ocupam (Eg) e pelo movimento (Ec) que exercem.


       Na proposta utilizada para mostrar que o Universo não pode se contrair ou expandir por completo e sim ao máximo, as grandes energias existentes estão dissipadas em extensos filamentos massivos  na máxima contração unidimensional espacial, ou em espaço extenso unidimensional na máxima expansão. Assim, com movimentos massivos relativos praticamente nulos, na comparação entre estes estados:
 [| – (m0 + m0). c 2 + 2. (M0 – m0). c2 | = | + (m0 + m0). c 2 – 2. (M0 – m0). c2 |],
    
    a energia relativística de repouso (E0) foi considerada, e desta forma, o usual emprego de determinados cálculos relativísticos pôde ser descartado [24] [25].

     A atual existência do universo em movimento já gera por si só uma variação entre as energias com uma constante variação de volume, sempre no sentido do equilíbrio termodinâmico que nunca é completamente alcançado. A variação de entropia total é nula [19] [26].

     A variação de posição, movimento, quantidade de massa, energia e espaço, que gera trabalho para a expansão, equivale à variação de Eg e E0 ao se converter em Ec; E ao oposto, na contração (conversão de Ec em Eg e E0), com a conservação de energia total. Na natureza nada se cria ou se perde e sim, tudo se transforma [27].

     Como qualquer sinal energético é absorvido no início de cada ciclo, o paradoxo de Olbers pode ser desconsiderado [28].

     Tentando respeitar a Navalha de Occam [29] ou Lei da Parcimônia [30] onde a melhor explicação deva pressupor a menor quantidade de premissas, se finaliza esta abordagem. No entanto, novos estudos complementares se fazem necessários.


      Referências: 


[1] Roos, M. Expansion of the Universe – Standard Big Bang Model. In: Engvold, O.; Stabell, R.; Czerny, B.; Lattanzio. J. Astronomy and Astrophysics. 2008.

[2] Hawking, Stephen; Filipe, Bizi and Ellis, G. F. R. The Large Scale Structure of Space-Time. Cambridge: Cambridge University Press. 1973.

[3] Petit, J. P; d'Agostini. G. Cancellation of the central singularity of the Schwarzschild solution with natural mass inversion process Modern. Physics Letters A. 2015; 30, 9.

[4] Neves, J.C. S. Gen.Rel.Grav. 2017; 49,124.

[5] JP Baptista. Revista Brasileira de Ensino de Física. Scielo Brasil. 2006. 

[6] Universe. Webster`s New World College Dictionary. Wiley Publishing, Inc. [S.I.: s.n.]. 2010.

[7] José Plínio Baptista. Revista Brasileira de Ensino de Física. 2006; 28 p.

[8] S. Vieira, A. Barros, I. Araújo e J.C.T. Oliveira. “A comparison among deductions of the equation E=mc2” (“Uma comparação entre as deduções da equação E=mc2”). Revista Brasileira de Ensino de Física. 2004; V. 26. 

[9] Resnick, R.; Eisberg, R. Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei and Particles, 2nd ed. New York: John Wiley & Sons. 1985.

[10] Lev Davidovich Landau & Evgeny Mikhailovich Lifshitz. The Classical Theory of Fields. Pergamon Press. 1951.

[11] C., Jain, Mahesh. Textbook of engineering physics: pt. i. [S.I.]: Phi learning. 2009; Chapter 1; 9 
[12] JR Forshaw; AG Smith. Dynamics and relativity (Dinâmica e Relatividade), Wiley. 2009; 149, 249. 

[13] Cutnell, John D.; Johnson, Kenneth W.  Physics 9. ed. (Física 9. ed.) Rio de Janeiro: LTC. 2016; 199 p.

[14] Kerr, R. P. “Gravitational Field of a Spinning Mass as an Example of Algebraically Special Metrics”. Phys. Rev. Let. 1963; 11, 237 – 238.

[15] Walker, Jearl. Fundamentos de Física, 10 ed. Rio de Janeiro: LTC. 2016; 305 - 312.

[16] Masanes, L., Oppenheim, J. General derivation and quantification of the third Law of thernodynamics (Derivação geral e quantificação da terceira lei da termodinâmica). 2017; Nat Commun 8, 14538. 

[17] Tipler, Paul A. Physics 1 (Física 1). Rio de Janeiro: Guanabara Dois. 1978; 448 p. 

[18] Thomson, W. (Lord Kelvin), On the Dynamical Theory of Heat, with Numerical Results Deduced from Mr. Joule’s Equivalent of a thermal Unit, and M. Regnault’s Observations on Steam. Transactions of the royal Society of Edinburgh | Vol. 20 |, 1851; | 261– 268 |, | 289 – 298 |.

[19] Kestenbaum, David. Gentle force of entropy bridges disciplines. Science.1998; 279:1849.

[20] Eleonora Di Valentino 1, Alessandro Melchiorri 2* and Joseph Silk 3, 4, 5. Planck evidence for a closed Universe and a possible crisis for cosmology. NATURE ASTRONOMY | VOL 4 |, February 2020; | 196 – 203 |. 

[21] Walker, Jearl. Fundamentos de Física. 10 ed. Rio de Janeiro: LTC. 2016; 270-312.

[22] Ramalho, Nicolau e Toledo. Os Fundamentos da Física – Moderna Plus. Vol. 01, 2016; Moderna. 11ª Ed. SP.
 
[23] Truesdell, C.A. The Tragicomical History of Thermodynamics, 1980; 1822 – 1854, Springer, New York, 262.

[24] O’Connor, J.J.; Robertson, E.F; General relativity. Mathematical Physics Index. 1996. Escola de Matemática e Estatística da Universidade de St. Andrews.

[25] Dr. Roberto Belisário e Prof. Luiz Ferraz Netto. What is the special theory of relativity. Science meeting. (O que é a Teoria da Relatividade Especial. Feira de Ciências), 2009.

[26] Van Wylen, G. J. Sonntag, R. E. Borgnakke, C.. Fundamentos da Termodinâmica, 6a ed., Edgard Blücher Ltda. 2003.

[27] Whitaker, Robert D. An Historical Note on the Conservation of Mass. Journal of Chemical Education (52), October 1975; 658 – 659.

[28] Souza, Ronaldo Eustáquio. Introduction to cosmology (Introdução à Cosmologia). São Paulo: Edusp, 2004; 27 p.

[29] Captain Travis Patriquin, US Army. The Principle of the Occam Razor for facts. Military Review (2007).

[30] Ariew, Roger. Ockham's razor: A Historical and Philosophical Analysis of Ockham's Principle of Parsimony. Champaign-Urbana, University of Illinois (1976).