Island Of Knowledge, Part II

Island Of Knowledge, Part II

[MUSIC PLAYING]

PROFESSOR: From Newton to Einstein, what we see is an incredibly accelerated growth of our understanding of the universe. This growth was possible because measuring tools became increasingly sophisticated: Telescopes that could see farther and farther out into the universe; microscopes that could see further and further into the nature of matter and of life itself. Side by side, with those tools, incredible mathematical developments and sophisticated experiments allowed scientists to understand nature in unprecedented ways.

The so-called three pillars of the classical physics world view were solidified in the 19th century. First, mechanics, the study of motion and the laws of gravity. Then, electromagnetism, the study of electric charges and magnetic fields, and how electric charges in motion can generate

magnetic fields. And, finally, thermodynamics, the study of heat that led to steam engines and the Industrial Revolution, and to the laws of conservation of energy and the growth of entropy or disorder.

A scientist of the late 19th century saw the universe very differently from Galileo, Kepler, and Newton, and, certainly, very differently from the Greeks. As science advanced, world views changed. The closed cosmos of the Greeks became the open cosmos of Newton, where every star is a sun and could, in principle, have planets orbiting around it. New planets were discovered, Uranus and Neptune.

The cosmos appeared to be a very ordered machine, an accurate clockwork mechanism. It became clear that, as science advanced, the way we saw the world and our place in it changed. To illustrate this, consider the Island of Knowledge metaphor. Imagine that all that we know about the world fits in an island, the Island of Knowledge. The more we know about the world, the more the island grows.

However, as with any good island, the Island of Knowledge is also surrounded by an ocean, in this case, the ocean of the unknown, of what we don't know about the world. You may think that, as we learn more and more, the island would one day cover all the ocean of the unknown. That one day, science would have answers to all questions. But that is not what happens. Because, as the island grows, so do the shores of our ignorance, the boundary between the known and the unknown.

We know this already. For example, consider astronomy before and after the telescope. The new tool allowed scientists to develop a new world view, that with the sun in the center. And it allowed scientists to ask questions they couldn't have even imagined before. This happens often in the history of science. New tools and new discoveries solve some problems, but also bring out new ones.

The island of knowledge grows, but the ocean of the unknown is potentially infinite, at least as long as we keep asking questions about the world and developing new and more powerful tools to study it. Even more dramatically-- as we'll see soon-- in the ocean of the unknown, there are

regions of the unknowable. There are questions that we can ask about the world that science cannot answer, unless we break the laws of nature as we know them today.

There are two main reasons why our knowledge of the world is finite. First, as we have seen, our tools can only see so far. They can only probe so deep into nature. And second, nature itself limits what we can see and observe. Perhaps the most obvious example of this in the context of cosmology is the fact that the speed of light is finite. It's very fast, but it's still finite. In empty space, or the vacuum, light can travel at about 300,000 kilometers per second, or about 186,000 miles per second.

If you blink your eyes, light goes 7 and 1/2 times around the earth. If we now consider that modern cosmology tells us that the universe had a beginning about 13.8 billion years ago, this means that, from our perspective here on Earth, we can only see things-- or receive information from things-- that are at a distance smaller to how far light traveled in '13.8 billion years. This distance is huge, but it's not infinite.

Remember, that we get information from the universe from collecting light. Not just visible light, but many kinds of light. Or better, electromagnetic radiation. And all of these travel at the speed of light. So the farthest point that we can see or get information from is an object which is as far as light has traveled in 13.8 billion years. This is what we call our cosmic horizon.

In astronomy, we like to use light years as a measure of distance. As the name says, a light year is the distance that light can travel in one year. To give you an idea, the distance between Earth and Pluto is about 5 and 1/2 light hours, or 327 light minutes. So this means that if someone sent us a message from Pluto, traveling at the speed of light, like the spectacular photos from the New Horizons probe, it would take 5 and 1/2 hours to reach us.

[CLOCK TICKING]

Moving farther out, the distance between the Sun and the nearest star to Earth, called Alpha Centauri, is about 4 and 1/2 light years. You see how far stars are from one another. Now, let's move further out still to consider our galaxy, the Milky Way. The Milky Way has a diameter of about 100,000 light years. If I turn a flashlight on at one edge of the galaxy, it will take 100,000 years for light to reach the other end.

If we keep moving outwards, the nearest galaxy to the Milky Way is the Andromeda galaxy at about two million light years. Typically, galaxies are tens or hundreds of millions of light years away from one another. Now we can go back to our question: How far would light travel in the age of the universe of 13.8 billion years? A simple answer would be 13.8 billion light years. But that's not quite right, because the universe is not static. The universe is expanding. Galaxies are moving away from one another at enormous speeds.

This expansion adds to the distance that light can travel, like a surfer riding on a wave. So the actual distance that light travels since the Big Bang is about 46 billion light years. Again, a huge distance, but not infinite. This has a very, very important consequence to us. It means that we

live in a cosmic bubble of information. We can only know what's going on in the universe within this bubble of information, the distance that light has traveled since the Big Bang.

The universe may continue beyond this point, just like when you are standing at the beach and you look at the horizon. We know that the ocean continues beyond the horizon, but we can't see what's out there. Well, it's about the same with the universe. The universe may continue beyond our cosmic bubble of information, our cosmic horizon, but we can't know what's beyond it. So if you ask me "What's going on with the universe outside our cosmic bubble?" We can speculate, and we can say that, probably, it looks very much the same as around here. But we can never know for sure, because we cannot get any information from objects that are outside our cosmic horizon. This is an example of what I call an unknowable question in science. You can ask it, but we can't answer it.

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Ilha do Conhecimento, Parte II

PROFESSOR: De Newton a Einstein, o que vemos é um crescimento incrivelmente acelerado da nossa compreensão do universo. Este crescimento foi possível por causa da sofisticação cada vez maior dos instrumentos de medição: telescópios que podiam ver cada vez mais longe universo adentro; microscópios que conseguem ver cada vez mais a fundo a natureza da matéria e da vida em si. Lado a lado, com esses instrumentos, progressos matemáticos incríveis e experimentos sofisticados permitiram aos cientistas compreender a natureza de formas sem precedentes. Os ditos três pilares da visão de mundo clássica da física foram solidificados no século XIX. Primeiro, a mecânica, o estudo do movimento e das leis da gravidade. Depois, o

eletromagnetismo, o estudo das cargas elétricas e dos campos magnéticos, e de como as cargas elétricas em movimento podem gerar campos magnéticos. E finalmente, a termodinâmica, o estudo do calor que levou aos motores a vapor e à Revolução Industrial, e as leis da conservação de energia e do crescimento da entropia ou desordem.

Um cientista do fim do século XIX via o universo de forma bem diferente de Galileu, Kepler e Newton, e, certamente, muito diferente dos gregos antigos. À medida que a ciência avançava, visões de mundo mudavam. O cosmos fechado dos gregos tornou- se o cosmos aberto de Newton, onde cada estrela é um sol e poderia, em princípio, ter planetas orbitando à sua volta. Novos planetas foram descobertos, Urano e Netuno.

O cosmos parecia ser uma máquina muito bem ordenada, um mecanismo preciso como o de um relógio. Tornou se claro que, à medida que a ciência avançava, a forma como víamos o mundo e nosso lugar nele mudava. Para ilustrar isso, pensem na metáfora da Ilha do Conhecimento. Imaginem que tudo o que sabemos sobre o mundo cabe em uma ilha, a Ilha do Conhecimento. Quanto mais sabemos sobre o mundo, mais a ilha cresce.

Contudo, como qualquer ilha que se preze, a Ilha do Conhecimento também é cercada por um oceano, neste caso, o oceano do desconhecido, do que não sabemos sobre o mundo. Talvez vocês pensem que, à proporção que aprendemos cada vez mais, a ilha um dia iria cobrir todo o oceano do desconhecido. Nesse dia, a ciência teria respostas para todas as perguntas. Mas não é isso o que acontece. Porque, assim como a ilha cresce, também crescem as praias da nossa ignorância, a fronteira entre o conhecido e o desconhecido.

Já sabemos disso. Por exemplo, levem em conta a astronomia antes e depois do telescópio. Esse novo instrumento permitiu que os cientistas desenvolvessem uma nova visão de mundo, com o sol no centro. E ele permitiu que os cientistas fizessem perguntas que nem poderiam ter sido imaginadas antes. Isso acontece frequentemente na história da ciência. Novas ferramentas e novas descobertas solucionam alguns problemas mas também trazem outros novos.

A ilha do conhecimento cresce, mas o oceano do desconhecido é potencialmente infinito, ao menos desde que continuemos fazendo perguntas sobre o mundo e desenvolvendo equipamentos novos e mais poderosos para estudá lo. Ainda mais dramaticamente -- como veremos em breve -- no oceano do desconhecido há regiões do incognoscível. Há perguntas que podemos fazer sobre o mundo que a ciência não pode responder, a menos que quebremos as leis da natureza como as conhecemos atualmente.

Há dois motivos principais pelos quais nosso conhecimento do mundo é finito. Primeiro, como já vimos, nossos instrumentos podem ver até um certo ponto. Eles só podem sondar a natureza até uma certa profundidade. E segundo, a própria natureza limita o que podemos ver e observar. Talvez o exemplo mais óbvio disso no contexto da cosmologia é o fato de que a velocidade da luz é finita. É muito rápida, mas ainda é finita. No espaço vazio, ou no vácuo, a luz consegue viajar a cerca de 300 000 km ou cerca de 186 000 milhas por segundo.

Em um piscar de olhos, a luz dá 7 voltas e meia ao redor da Terra. Se nós considerarmos agora que a cosmologia moderna nos diz que o universo começou há uns 13,8 bilhões de anos atrás, isso significa que, da nossa perspectiva aqui na Terra, só conseguimos ver as coisas -- ou receber informação das coisas -- que estão a uma distância menor do que a distância que a luz viajou em 13,8 bilhões de anos. Essa distância é enorme, mas não infinita.

Lembrem se de que obtemos informações do universo captando luz. Não só luz visível, mas vários tipos de luz. Ou melhor, radiação eletromagnética. E todas essas viajam à velocidade da luz. Portanto, o ponto mais distante do qual conseguimos obter informação ou enxergar é um objeto que está à distância que a luz viajou em 13,8 bilhões de anos. Isso é o que chamamos de nosso horizonte cósmico.

Em astronomia, gostamos de usar anos luz como medida de distância. Como o nome diz, um ano luz é a distância que a luz pode viajar em um ano. Para terem uma ideia, a distância entre a Terra e Plutão é de umas 5 e horas- luz e meia, ou 327 minutos luz. Isso significa que, se alguém nos enviar uma mensagem de Plutão, viajando à velocidade da luz, como as fotos espetaculares da sonda New Horizons, ela levaria 5 horas e meia para chegar até nós.

Indo para mais longe, a distância entre o Sol e a estrela mais próxima da Terra, chamada Alfa Centauri, é de uns 4 anos luz e meio. Dá para ver o quão afastadas as estrelas estão uma da outra. Agora, vamos nos afastar ainda mais, para incluir nossa galáxia, a Via Láctea. A Via Láctea tem um diâmetro de uns 100 000 anos luz. Se eu acender uma lanterna em uma ponta da galáxia, vai levar 100 000 anos para que a luz chegue à outra ponta.

Se continuarmos nos movendo para fora, a galáxia mais próxima da Via Láctea é a galáxia de Andrômeda, que fica a uns dois milhões de anos luz. Tipicamente, galáxias ficam a dezenas ou centenas de milhões de anos luz uma da outra. Agora podemos voltar à nossa pergunta: o quão longe a luz viajaria na idade do universo de 13,8 bilhões de anos? Uma resposta simples seria 13,8 bilhões de anos luz. Mas não é bem assim, porque o universo não é estático. O universo está se expandindo. As galáxias estão se afastando uma da outra a velocidades enormes.

Essa expansão aumenta a distância que a luz consegue viajar como um surfista pegando uma onda. Portanto, a distância real que a luz já viajou desde o Big Bang é de 46 bilhões de anos-luz. Novamente, uma distância enorme, mas não infinita. Isso tem uma consequência muito, mas muito importante para nós. Isso significa que vivemos em uma bolha cósmica de informação. Só conseguimos saber o que acontece no universo dentro dessa bolha de informação, a distância que a luz percorreu desde o Big Bang.

O universo pode continuar além desse ponto, assim como quando você está na praia e olha para o horizonte. Sabemos que o oceano continua além do horizonte, mas não conseguimos ver o que está lá fora. Bem, é a mesma coisa com o universo. O universo pode continuar além da nossa bolha cósmica de informação, nosso horizonte cósmico, mas não podemos saber o que está além dele. Então, se vocês me perguntarem "o que acontece com o universo do lado de fora da nossa bolha cósmica?" Podemos especular, podemos dizer que, provavelmente, se parece bastante com os nossos arredores daqui. Mas nunca poderemos ter certeza, porque não podemos obter

nenhuma informação de objetos que estão fora do nosso horizonte cósmico. Isso é um exemplo do que chamo de questão incognoscível na ciência. Você pode perguntá la, mas não podemos respondê la.