Cosmologia do Curso de Física do ICEX/UFMG,
para consolidação dos conteúdos estudados e
ob-
tenção dos créditos.
Professor: Domingos Sávio de Lima Soares
George Anthony Gamow
(04/03/1904 – 19/08/1968) foi um físico russo-norte-americano. Especializou-se
em Física Moderna, dando contribuições à Física Nuclear (trabalhou com tunelamento quântico e decaimento
radioativo do núcleo atômico), à Cosmologia e genética.
Nasceu na cidade de Odessa, no então Império Russo, hoje na Ucrânia. Iniciou seus estudos na Universidade de Novorossiya (1922-1923) e na Universidade de Leningrado (1923-1929), onde estudou com Alexander Friedmann até a morte deste, em 1925. Trabalhou no Instituto de Física Teórica da Universidade de Copenhagen, de 1928 a 1931, tendo trabalhado também com Ernest Rutherford no Laboratório Cavendish, em Cambridge.
Em 1928, Gamow se utilizou da idéia de tunelamento quântico para solucionar a teoria do decaimento alfa. Sabemos que, na mecânica quântica, existe uma probabilidade de que a partícula possa ser emitida do núcleo atômico e escapar, apesar da grande quantidade de energia necessária para vencer o elevado potencial do átomo. Gamow encontrou um modelo para o potencial nuclear.
Mudou-se para os Estados Unidos em 1934 e, no mesmo ano, iniciou seus estudos na Universidade George Washington, onde publicou trabalhos com Edward Teller, com o físico brasileiro Mário Schenberg e com Ralph Alpher. Em 1948 publicou, juntamente com Ralph Alpher e Hans Bethe, o artigo “A Origem dos Elementos Químicos” (Physical Review, Abril 1, 1948). O trabalho ficou conhecido como a teoria “Alpher-Bethe-Gamow”.
O trabalho propôs a existência de um Universo Primordial extremamente denso e quente (T~1010K), resultado do “Estrondão” da singularidade inicial, e mostrou como os elementos leves (Hidrogênio, Deutério, Hélio e Lítio) foram formados a partir dessas condições. Com o processo de expansão e resfriamento do universo, os nêutrons livres presentes no “fluido primordial” (matéria + radiação) começaram a decair em prótons e elétrons. Posteriormente, quando a fração de fótons altamente energéticos reduziu-se suficientemente, deu-se início ao processo de captura dos nêutrons por alguns dos prótons presentes, formando átomos de Deutério ionizado. Assim, os nêutrons foram salvos do processo de decaimento e viabilizou-se a formação de Hélio, Trítio e Lítio. Nos primeiros minutos de vida, o Universo tornou-se uma verdadeira “fornalha termonuclear”, tal qual ocorre no interior das estrelas. A abundância primordial desses elementos apresenta acordo com as observações astronômicas, o que reforça a teoria. No entanto, esta falha ao explicar a formação dos elementos mais pesados a partir do processo de captura sucessiva de nêutrons, pois, além do fato de não haver núcleos estáveis com números de massa 5 e 8, o processo de expansão reduziu a freqüência de encontro das partículas. Esses elementos pesados foram sintetizados posteriormente, após o aparecimento das primeiras estrelas, conforme Fred Hoyle.
Neste trabalho, Gamow propôs também a existência da Radiação de Fundo de Microondas, interpretada como um resíduo dos estágios iniciais do Universo, quando este encontrava-se em equilíbrio termodinâmico. Essa condição imprimiu à radiação um espectro de corpo negro, com uma temperatura característica da ordem de 5K, conforme o texto original. Em um segundo trabalho, os autores apresentam os detalhes dos cálculo desse valor, conforme a citação abaixo:
“In
accordance with Eq.(4) [rrrm-4/3 = constant], the specification of rm’’, rm’ and rr’ fixes the present density of radiation rr’’. In fact, we find that the value of rr’’ consistent with Eq.(4) is
rr’’ @ 10-32 g/cm3, (12d)
which corresponds to a temperature now of the order of 5 K. This mean
temperature for the universe is to interpreted as the background temperature which
would result from the universe is to be interpreted as the background
temperature which would result from the universal expansion alone. However, the
termal energy resulting from the nuclear energy production in stars would
increase this value.”
Este valor foi recalculado em trabalhos posteriores de Gamow. No seu livro “A criação do Universo”, cuja primeira edição é de 1952, ele deriva uma expressão para a temperatura do Universo durante os primeiros estágios de expansão como função do tempo, contado a partir da singularidade inicial:
Temperatura = 1,5 x 1010/ [tempo]1/2
sendo o tempo dado em segundos. Inserindo a idade presente do universo (t=1017 s), conforme relatado no texto original, encontramos
Tpresente = 50 K
Gamow tratou esse valor como um limite superior para a temperatura da Radiação de Fundo. As previsões feitas por ele e por seus colaboradores não obtiveram a atenção devida (em parte devido às dificuldades técnicas associadas aos processos de medida) até 1964, quando Arno Penzias e Robert Wilson buscavam entender os motivos da existência de alguns ruídos nos sinais de antenas de comunicação do Bell Laboratories e detectaram, acidentalmente, a Radiação de Fundo. De imediato, supôs-se uma origem cósmica para essa radiação, cujo espectro é o mesmo associado a um corpo negro de 3K. As medidas recentes do satélite COBE confirmam essas observações.
Ao final de sua carreira, Gamow deu uma grande contribuição ao problema de como a ordem dos quatro tipos de bases nitrogenadas (adenina, guanina, citosina e timina) nas cadeias de DNA controlam a síntese de proteínas a partir dos aminoácidos. Ele propôs que pequenos sequenciamentos de bases formariam um “código” capaz de carregar informações necessárias à síntese de proteínas.
Gamow permaneceu em Washington até 1954, depois trabalhou na Universidade da Califórnia, em Berkeley (1954) e na Universidade do Colorado, em Boulder (1956-1968). Morreu no dia 19 de Agosto de 1968, em Boulder, e foi enterrado no cemitério Green Mountain.
Bibliografia Consultada
. ASSIS, A.K.T
& NEVES, M.C.D. History of 2.7 K
Temperature prior to Penzias and Wilson, Apeiron, Vol.2, Nr.3, July 1995.
. SOUZA, Ronaldo Eustáquio de. Introdução à Cosmologia, Editora da USP, São Paulo, 2004.
Sites na internet:
. http://en.wikipedia.org/wiki/George_Gamow
. www.astro.iag.usp.br/~ronaldo/intrcosm/Notas
. http://www.halfvalue.com/wiki.jsp?topic=Big_Bang