1

EDM0425 - Metodologia do Ensino de Física I

Professor Dr. Maurício Pietrocola

Primeiro semestre de 2010

Módulo Inovador

CONTROVÉRSIAS

NA COSMOLOGIA Autores:

Alexandre Bagdonas Henrique

Marcelo Nogueira

Tiago Almeida

Vera Oliveira

2

Conteúdo CONTROVÉRSIAS NA COSMOLOGIA.......................................................................................... 1

Apresentação........................................................................................................................................ 2

Introdução: ....................................................................................................................................... 4

Temática: ......................................................................................................................................... 4

Público-alvo: .................................................................................................................................... 5

Número de aulas: ............................................................................................................................. 5

QUADRO SINTÉTICO....................................................................................................................... 6

ATIVIDADE 1: Introdução à história da cosmologia ......................................................................... 8

AULA 1 ........................................................................................................................................... 8

1º Momento: “O que é cosmologia?” .......................................................................................... 8

2º Momento: Discutir diferenças entre cosmologia e astronomia. .............................................. 9

3º Momento: Questionar os alunos: “O universo teve um começo ou sempre existiu?” .......... 10

AULA 2 ......................................................................................................................................... 10

1º Momento: Apresentação da peça “Big Bang Brasil” ............................................................ 10

2º Momento: Tipos de modelo de universo: o universo estático ............................................... 11

3º Momento: A constante cosmológica e o universo em expansão ........................................... 11

ATIVIDADE 2: A expansão do universo.......................................................................................... 11

AULA 3 ......................................................................................................................................... 11

1º Momento: Apresentar o astrônomo Edwin Hubble e a descoberta da expansão do universo12

2º Momento: Explicar algumas informações que podem ser obtidas a partir da luz dos corpos

celestes. ............................................................................................................................................. 12

3º Momento: Desenvolver atividade prática sobre espectros utilizando um CD....................... 13

AULA 4 ......................................................................................................................................... 13

1º Momento: Documentário sobre redshift e efeito Doppler..................................................... 14

2º Momento: Análise do documentário comparando ondas sonoras e luminosas. .................... 14

3º Momento: Explicar a diferença entre movimento próprio e velocidade de recessão. ........... 14

AULA 5 ......................................................................................................................................... 15

1º Momento: O Big Bang é uma explosão?............................................................................... 15

2º Momento: A analogia da bexiga............................................................................................ 16

3

3º Momento: Perguntar aos alunos: qual é a melhor analogia para entender o Big Bang? ....... 16

ATIVIDADE 3: A controvérsia entre Big Bang e Estado Estacionário............................................ 17

AULA 6 ......................................................................................................................................... 17

1º Momento: Desenvolver uma situação-problema a partir do documentário “Ilusão Ateísta” 17

2º Momento: Medidas da idade do universo.............................................................................. 18

3º Momento: Limites da estimativa ........................................................................................... 18

AULA 7 ......................................................................................................................................... 18

1º Momento: O Big Bang e o problema da idade do universo .................................................. 19

2º Momento: A teoria do estado estacionário ............................................................................ 19

3º Momento: novas medidas da idade do universo.................................................................... 19

AULA 8 ......................................................................................................................................... 19

1º Momento: Big Bang Brasil: final .......................................................................................... 20

2º Momento: O Big Bang está provas?...................................................................................... 20

3º Momento: Fechamento .......................................................................................................... 20

Referências......................................................................................................................................... 21

4

Apresentação

Esta sequência didática trata de um exemplo do uso de episódios da história da cosmologia no

século XX como forma de conduzir discussões sobre a natureza da ciência. O estudo da astronomia e da

cosmologia é sugerido no tema estruturador dos PCN+ "Universo, Terra e Vida” (Brasil, 2002, p.32).

Introdução:

Para que estudar a história da cosmologia? Por que queremos saber sobre o que aconteceu há

bilhões de anos? Ou ainda, por que se propõe a inserção do estudo da origem do universo no ensino

médio? A proposta de refletir a respeito da origem da vida e do universo nas aulas de ciências não pode

ser justificada com argumentos utilitaristas, como a utilização prática no dia a dia, ou como forma de

preparar o indivíduo para o mercado de trabalho. No entanto, a cosmologia é um tema que contribui

para inserção da física moderna e contemporânea no currículo de física e pode ser fascinante, permitindo

a inserção de discussões a respeito da natureza da ciência no ensino de forma natural. A cosmologia nos

força a examinar nossas crenças mais profundas, por isso, um de seus papéis no ensino é propiciar aos

jovens o contato com a visão de mundo científica, que envolve conhecer um conjunto de descrições e

explicações a respeito do universo e da posição do homem no mesmo1.

Objetivo:

Esta sequência didática foi construída tendo como ênfase curricular o uso da história e filosofia da

ciência no ensino. Pretendemos conduzir discussões sobre as diferentes concepções de universo, assim

como sua estrutura e evolução, articulando tal conhecimento a episódios da história da cosmologia.

Mostrar a cosmologia como uma atividade que “desafia a mente, molda a sua maneira de pensar sobre o

mundo em geral, deixa impressões e ideias que duram pela vida toda” (Harrison 1981, p. x).

Temática:

Entre as décadas de 1940 e 1970, havia duas teorias cosmológicas rivais: a teoria do Big Bang,

segundo a qual o universo teve um começo e a teoria do Estado Estacionário, cujos criadores defendiam

que o universo sempre existiu. Assim, partimos dessa questão fundamental: “o universo teve um começo

ou sempre existiu?” como forma de discutir sobre medidas da idade do universo e o conceito de

1 Esta sequência didática e o texto auxiliar “Controvérsias na cosmologia” foi baseada nos estudos desenvolvidos no

mestrado em Ensino de Física de um dos autores (Henrique & Silva 2010, Henrique & Silva 2009).

5

“provas” na ciência. Para isso são apresentados alguns conceitos cosmológicos, como o de expansão do

universo, redshift e Lei de Hubble.

Público-alvo:

Alunos do Ensino Médio (três anos) ou que possuam conhecimentos equivalentes.

Número de aulas: 8 aulas

Figura 1: mapa conceitual da sequência didática

6

QUADRO SINTÉTICO

Atividades Momentos Tempo

Aula 1

Apresentar Documentário da BBC sobre “O que é cosmologia?”

Discutir diferenças entre cosmologia e astronomia.

Questionar os alunos: “O universo teve um começo ou sempre

existiu?” 1) Introdução à

história da

cosmologia Aula 2

Apresentação da peça “Big Bang Brasil”.

Aula expositiva sobre universo estático

Constante cosmológica e universo em expansão

2 aulas

Aula 3

Aula expositiva sobre Hubble e a descoberta da expansão do

universo

Explicar algumas informações que podem ser obtidas a partir da

luz dos corpos celestes.

Desenvolver atividade prática sobre espectros utilizando um CD

2)

A expansão do

universo

Aula 4

Apresentar o documentário sobre redshift e efeito Doppler

Análise do documentário comparando ondas sonoras e luminosas.

Estimar a idade do universo a partir dos dados de Hubble.

3 aulas

7

Aula 5

O Big Bang é uma explosão? Analogia com uma granada

explodindo.

Analogias para entender a expansão: atividade com balões

Explicação sobre movimento próprio e velocidade de recessão.

Perguntar aos alunos: qual é a melhor analogia para entender o Big

Bang?

Aula 6

Desenvolver situação-problema a partir do documentário “Ilusão

Ateísta”

Discutir as diferentes medidas da idade do universo, os problemas

nas estimativas e as distintas interpretações

Apresentar as soluções dos cosmólogos com visões distintas para

esse problema da idade do universo

Atividade: calcular a idade do universo com os dados de Hubble.

Aula 7

Apresentar o problema da idade do universo no Big Bang

Discutir o Estado Estacionário e as soluções para o problema da

idade do universo.

Calcular a idade do universo com dados contemporâneos.

3) A

controvérsia

entre Big Bang

e Estado

Estacionário

Aula 8

Apresentação da parte IV do texto Big Bang Brasil

Levantar a questão: o Big Bang está provado?

Discutir o conceito de provas na ciência defendendo que não temos

certeza absoluta de que houve um começo do universo, mesmo

aceitando o Big Bang.

3 aulas

8

ATIVIDADE 1: Introdução à história da cosmologia

AULA 1

Tema: O que é cosmologia?

Objetivo: Instigar os alunos a refletirem sobre questões relativas ao universo como um todo.

Comparar as atuais concepções de cosmologia e astronomia, permitindo que os alunos extraiam

diferenças entre as duas ciências. Apresentar a questão principal que norteará o curso: “o universo teve

um começo ou sempre existiu?”.

Conteúdo Físico: definição de cosmologia e de astronomia

Recursos Instrucionais: Slides, giz e lousa, vídeo-documentário, texto base para o professor: seção

2 do texto “Controvérsias na cosmologia”2, cujo título é “O que é cosmologia?”

Motivação: Apresentar aos alunos elementos que os permitirão pensar o mundo em que vivem de

forma diferente da usual, inserindo-os em uma reflexão sobre o universo em uma perspectiva científica,

situando-os temporal e espacialmente nesse universo.

Dinâmica da Aula: aula expositiva e discussões em grupo

1º Momento: “O que é cosmologia?”

Iniciar a aula com a apresentação dos primeiros minutos (1min40s) do documentário “Lost Horizons

- The Big Bang” (Al-Khalili, 2008), que pode ser encontrado no link

http://video.google.com/videoplay?docid=-3038527161142211875# . Esse documentário apresenta uma

definição inicial de cosmologia, relacionando-a com os mitos de criação de povos antigos, chegando até

2 Recomenda-se que o professor consulte esse material sempre que sentir necessidade; apesar de ser um texto extenso,

ele será importante uma referência ao longo da sequência didática, principalmente se o professor responsável não estiver

familiarizado com os termos recorrentes nesta sequência.

9

os dias atuais em que a teoria do Big Bang se consolidou como a principal teoria científica sobre a

origem e evolução do universo.

Verificar a compreensão dos alunos pedindo para responderem a pergunta: o que é cosmologia?

Vamos anotando as mais variadas respostas na lousa. A ideia é ter acesso às ideias prévias dos alunos

sobre o assunto, criando uma linguagem comum entre professores e alunos. Esta atividade foi pensada

inspirada na primeira atividade do GREF de mecânica (GREF 1993). Esperamos que os alunos falem

termos como “universo, espaço, criação, origem, big bang” entre outros. O professor buscará conduzir a

formulação de um conceito de cosmologia, problematizando as propostas dos alunos fazendo perguntas

como: Cosmologia é ciência? Qual é a diferença entre cosmologia e astronomia? As religiões também

buscam entender a origem do universo. Qual é a diferença entre ciência e religião?

Vale ressaltar que a questão da relação entre ciência e religião foi abordada superficialmente nesta

atividade, já que não é o objetivo principal deste curso. Para saber mais sobre esse assunto ver

Sepúlveda & El Hani (2004), Henrique & Silva (2010).

Para finalizar esta atividade o professor pode comentar brevemente que a cosmologia na

Antiguidade estava ligada às chamadas perguntas fundamentais: Que tipos de coisas existem no

universo? O universo foi criado por um ser inteligente? Existe um sentido para a vida ou para o

universo? Por que o universo existe? Por que algo deve existir? Por que as coisas são como são? De

onde surgiu o universo? Ele vai existir para sempre? Estas perguntas foram investigadas sobre diversas

perspectivas, tanto científicas quanto filosóficas e religiosas.

Nessa sequência didática vamos abordar a cosmologia científica que se desenvolveu a partir do

século XX. Para isso, vamos entender melhor como surgiu essa cosmologia diferente, criada a partir das

soluções das equações da relatividade geral no começo do século XX (ver seção 1 do texto

“Controvérsias na cosmologia” para mais detalhes sobre as diferenças entre a cosmologia antiga e a

cosmologia do século XX).

2º Momento: Discutir diferenças entre cosmologia e astronomia.

Será apresentada uma tirinha de Luís Fernando Veríssimo onde dois personagens questionam o que

é o universo. Esse será o ponto de partida para os alunos, reunidos em grupos de quatro pessoas,

discutirem sobre o que é o universo e o que é cosmologia. A seguir, os grupos apresentam o resultado de

sua discussão e o professor deve organizar as conclusões de cada grupo, encaminhando as diferenças

entre o papel da cosmologia e da astronomia no estudo do universo em uma discussão com a classe.

10

3º Momento: Questionar os alunos: “O universo teve um começo ou sempre existiu?”

Aqui esperamos identificar os alunos religiosos, que dirão que acreditam que o universo teve um

começo por que foi criado por Deus. Já entre os alunos religiosos, queremos saber o quanto eles eles

confiam na autoridade científica, perguntando se eles acreditam com segurança na teoria do Big Bang..

A questão da origem do universo é a pergunta que guiará a sequência didática inteira, e voltará a ser

abordada diretamente na Atividade 3.

AULA 2

Tema: Modelos de universo

Objetivo: Apresentar superficialmente alguns dos principais personagens envolvidos na história da

cosmologia no século XX (Einstein, Friedmann, Lemaître, Hubble, Gamow e Hoyle, Dicke, Penzias,

Smoot) e a controvérsia entre a teoria do Big Bang e a do Estado Estacionário

Conteúdo Físico: universo em expansão, estático e estacionário, gravitação newtoniana.

Recursos Instrucionais: Slides, giz e lousa, texto: Big Bang Brasil

Motivação: Esta é uma atividade lúdica, que busca atrair o interesse dos licenciandos para o

assunto, além de criar um clima descontraído, encorajando a participação dos alunos nas atividades.

Dinâmica da Aula: Leitura dramática da peça “Big Bang Brasil”3, apresentação de slides.

1º Momento: Apresentação da peça “Big Bang Brasil”

Um grupo de alunos voluntários iniciará a atividade lendo o texto “Big Bang Brasil”, para toda a

turma, sendo que cada aluno ficará a cargo de ler as falas de apenas um dos personagens. O texto trata

de uma conversa entre um apresentador de um programa e os participantes.

3 Este texto foi adaptado a partir de http://ceticismo.wordpress.com/2007/10/24/big-bang-brasil/.

11

2º Momento: Tipos de modelo de universo: o universo estático

A peça Big Bang Brasil apresenta superficialmente uma série de personagens cujas teorias são

descritas com mais detalhes no texto “Controvérsias na cosmologia”. Desta série de conceitos

apresentados superficialmente acreditamos que o professor pode enfatizar os quatro tipos de modelos

cosmológicos: o universo estático, o universo em expansão, o Big Bang e o estado estacionário.

Antes do “começo da história” apresentada na peça Big Bang Brasil Newton já havia proposto um

modelo de universo estático, infinito e homogêneo. Esse modelo construído levando em conta a

gravitação newtoniana permite uma proposta de problematização sobre a instabilidade gravitacional. Se

todas as estrelas se atraem, por todos não se concentram um só ponto? Esta questão foi abordada por

Newton, e retomada por Einstein quando este fez uma nova teoria da gravidade: a relatividade geral.

3º Momento: A constante cosmológica e o universo em expansão

Explicar a introdução da constante cosmológica nas equações da relatividade geral por Einstein,

explicando os trechos do texto “Big Bang Brasil” que contrapõe as visões de Einstein (universo estático)

com as de Friedman e Lemaître (universo em expansão). É importante lembrar que o texto Big Bang

Brasil foi escrito com fins lúdicos, sem levar em conta o rigor histórico. Algumas de suas passagens

podem induzir visões equivocadas sobre a natureza da ciência: Einstein não fez suas “continhas por que

não tinha nada pra fazer” e Friedman e Lemaître não discutiram com Einstein sobre a constante

cosmológica, por que eles também a utilizaram em seus modelos, apesar de terem mostrado a

possibilidade de universos em expansão.

As partes III e IV da peça Big Bang Brasil serão discutidas na atividade 3. Na atividade 2 vamos

entender melhor o modelo de universo em expansão.

ATIVIDADE 2: A expansão do universo

AULA 3

Tema: A descoberta da expansão do universo: Hubble

Objetivo: Apresentar observações astronômicas que foram interpretadas como indícios de que o

universo está em expansão

12

Conteúdo Físico: Lei de Hubble, redshift, velocidade, espectroscopia, ondas, luz

Recursos Instrucionais: Slides, giz e lousa, vídeo-documentário, objeto de aprendizagem:

Astrônomo Mirim

Motivação: Discutir a relação entre teoria e observação, no caso, a expansão do universo e o Big

Bang e o redshift das galáxias

Dinâmica da Aula: Aula expositiva, discussões e atividade em grupo

1º Momento: Apresentar o astrônomo Edwin Hubble e a descoberta da expansão do

universo

Com o auxílio de slides, e de outro trecho do documentário “Lost Horizons – The Big Bang” (Al-

Khalili, 2008) apresentar Hubble e seu papel na descoberta do universo em expansão, relembrando que

Friedman e Lemaître já haviam criados modelos teóricos de universo em expansão antes da publicação

dos trabalhos de Hubble.

A visão das galáxias se afastando no documentário pode dar a impressão de que Hubble teria

apontado seu telescópio para as galáxias e descoberto a partir da observação direta que as galáxias estão

se afastando. E talvez até seja possível imaginar que ele descobriu isso sozinho, por ser um grande

gênio.

No entanto, vale questionar a proposta amplamente difundida de que Hubble descobriu o universo

em expansão. Ele mesmo tinha dúvidas sobre a interpretação do redshift. Para mais detalhes sobre esse

assunto, ver Assis et al. (2008).

2º Momento: Explicar algumas informações que podem ser obtidas a partir da luz dos

corpos celestes.

O professor deve apresentar a importância da luz enquanto portadora de informação. Deve-se

apresentar também como as informações podem ser obtidas a partir da fotometria e dos espectros dos

corpos celestes. É uma oportunidade para o professor chamar a atenção dos alunos com belas imagens

astronômicas, como as de galáxias e nebulosas assim como com espectros do Sol e do núcleo da Galáxia

13

em bandas espectrais diferentes. É possível fazer uso do recurso Astrônomo Mirim, disponível em

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=20776.

3º Momento: Desenvolver atividade prática sobre espectros utilizando um CD

Fornecer CDs aos alunos, organizados em duplas ou em trios. Esses CDs devem ser utilizados para

decompor a luz de lâmpadas, mostrando que no espectro existem linhas negras ou “falhas” que fornecem

informação sobre o elemento químico que absorve a luz naquele comprimento de onda específico. Uma

proposta de atividade como essa pode ser encontrada em:

http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/13999

AULA 4

Tema: Redshift e efeito Doppler

Objetivo: Introduzir os conceitos de alargamento e contração de comprimento de onda,

diferenciando as duas possíveis causas para esse efeito (velocidades relativas das fontes de emissão de

ondas luminosas ou expansão/contração do espaço)

Conteúdo Físico: Lei de Hubble, redshift, velocidade, espectroscopia, ondas, luz

Recursos Instrucionais: Slides, giz e lousa, vídeo-documentário

Motivação: desenvolver a capacidade de relacionar a expansão do universo e o Big Bang à

realidade observada, permitindo estudar, na próxima atividade, como a evolução do universo determina

seu tempo de vida.

Dinâmica da Aula: Aula expositiva e discussões

14

1º Momento: Documentário sobre redshift e efeito Doppler

O professor deve apresentar outro trecho do documentário “Lost Horizons – The Big Bang” (Al-

Khalili, 2008) sobre redshift e efeito Doppler. O documentário trata de uma filmagem de trompetistas

sobre um vagão de trem cujo som é analisado por um especialista em música capaz de perceber a

diferença entre os tons dos sons dos trompetes quando estão se afastando e se aproximando do

especialista.

2º Momento: Análise do documentário comparando ondas sonoras e luminosas.

Desenvolver com os alunos uma breve análise do documentário, comparando ondas sonoras e

luminosas. É importante que o professor chame a atenção dos alunos para os efeitos sonoros notados no

dia a dia, como por exemplo o som da ambulância quando se afasta e se aproxima. Esses efeitos sonoros

são fundamentais para que o aluno associe as cores azul e vermelha à luz como se esta estivesse se

tornando mais “aguda” ou mais “grave” enquanto a fonte luminosa se aproxima ou afasta do observador.

Recursos como imagens sobrepostas ou “gifs animados” podem auxiliar na apresentação desses efeitos

luminosos.

3º Momento: Explicar a diferença entre movimento próprio e velocidade de recessão.

Hoje em dia, segundo a interpretação ortodoxa da cosmologia, existem três tipos principais de

redshift: o efeito Doppler, o redshift gravitacional e os redshift da expansão do universo. Não se acredita

mais que os redshift cosmológicos sejam causados por velocidades de afastamento dos corpos, como no

efeito Doppler. O redshift cosmológico é causado pela expansão do próprio espaço e não pelo

movimento dos corpos em um espaço estático4 (Harrison 1981, p.235).

Apresentar as animações que ilustram as diferenças entre o redshift da luz como movimento próprio

em espaço estático, há um deslocamento espectral para o vermelho no afastamento e um deslocamento

espectral para o azul quando há aproximação:

http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_classroom/cosmic_reference/redshift.html

4Redshift como Efeito Doppler: <http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_classroom/cosmic_reference/redshift.html>

15

Já no caso do redshift cosmológico é o próprio espaço que está em expansão. Assim os

comprimentos de onda se alteram por causa da expansão do espaço, mesmo que o corpo não tenha

movimento próprio ainda há a velocidade de recessão:

http://www.astronomy.ohio-state.edu/~pogge/Ast162/Unit5/Images/hu_animexp.gif

AULA 5

Tema: Nesta aula apresentamos duas analogias para entender a expansão, servindo-se de uma

atividade com balões e a ideia de explosão de uma granada, comparando as limitações das duas

analogias.

Objetivo: Desenvolver atividades que auxiliem os alunos a compreenderem e interpretarem a

expansão do universo e o Big Bang. Problematizar alguns equívocos comuns sobre o Big Bang,

causados por que estamos acostumados a pensar num universo “clássico”, de três dimensões. Os

modelos relativísticos da cosmologia envolvem conceitos abstratos e não intuitivos como o espaço curvo

e múltiplas dimensões. Pretendemos assim tornar mais claro o conceito de movimento próprio e

expansão do universo através de analogias.

Conteúdo Físico: velocidade de recessão, movimento próprio

Recursos Instrucionais: giz e lousa, slides, seção 5.3 do texto “Controvérsias na cosmologia”.

Motivação: Mostrar que a interpretação da expansão do universo e do Big Bang pode ser mal

compreendida por causa da utilização equivocada da imagem de explosões nas obras de divulgação

científica.

Dinâmica da Aula: aula expositiva e discussões

1º Momento: O Big Bang é uma explosão?

Se digitarmos “Big Bang” no Google, veremos uma série de fotos de explosões. Mas o Big Bang é

mesmo uma explosão? Fazer a experiêcia de uma vela cujo oxigênio é extinto pela combustão para

16

mostrar que para haver fogo é preciso oxigênio, por tanto não ocorrem explosões no espaço. Além disso,

uma explosão é um evento que ocorre num certo ponto do espaço, que tem um centro.

Perguntar para os alunos: estamos no centro do universo? O universo tem um centro?

Cabe aqui relembrar os conceitos de heliocentrismo e geocentrismo que já devem ter sido estudados

pelos alunos.

2º Momento: A analogia da bexiga

Levar balões para a sala, inflando-os para mostrar que se pintarmos pontos sobre a superfície do

balão, conforme a bexiga é inflada a distância entre os pontos aumenta. Mostram com o modelo da

bexiga que todos os pontos são equivalentes, não há um ponto privilegiado. O centro da bexiga, que

poderia ser considerado como um ponto diferenciado está fora da superfície e, portanto, fora do universo

em nossa analogia.

3º Momento: Perguntar aos alunos: qual é a melhor analogia para entender o Big

Bang?

No caso da bexiga inflando, os próprios pontos desenhados também aumentam conforme o balão

infla. Já no caso da granada quando ela explode os fragmentos não aumentam de tamanho. Propor a

questão: qual seria a analogia mais adequada nesse ponto? A do balão com pontos desenhados ou a da

granada? E se substituirmos os pontos desenhados por discos de papel?

Aqui o professor deve desenvolver a percepção dos alunos para o conceito de explosão associado à

expansão. Normalmente as pessoas utilizam equivocadamente o conceito de explosão para explicar o

surgimento do universo, e este momento é importante para que o professor esclareça que a utilização

deste conceito não é tão adequada quanto parece. Por outro lado, as galáxias estão se afastando de forma

análoga aos pedaços de um objeto que se explode – uma granada, por exemplo. Deve ficar claro ao

aluno que as duas analogias possuem elementos que ajudam a compreender o Big Bang e a expansão do

universo.

O professor também pode verificar a compreensão dos alunos sobre a diferença entre estes

conceitos de velocidade de recessão e movimento próprio pedindo para que eles utilizem a analogia do

universo bidimensional para explicar estes conceitos.

Total da Atividade 2: 3 aulas

17

ATIVIDADE 3: A controvérsia entre Big Bang e Estado Estacionário

AULA 6

Tema: Medindo a idade do universo

Objetivo: Introduzir a questão do conflito entre os resultados da cosmologia e a interpretação

liberal da Bíblia.

Conteúdo Físico: Lei de Hubble, velocidade média, idade do universo

Recursos Instrucionais: giz e lousa, slides

Motivação: Abordar a questão polêmica sobre conflitos entre ciência e religião questionando os

alunos sobre sua confiança nos resultados científicos.

Dinâmica da Aula: aula expositiva e discussões

Sugestões: Tomar cuidado com a questão dos conflitos entre ciência e religião, para não ofender as

crenças pessoais de certos alunos.

1º Momento: Desenvolver uma situação-problema a partir do documentário “Ilusão

Ateísta”

Situação problema: Como os cientistas sabem a idade do universo?

Documentário Atheist Delusion

(youtube: http://www.youtube.com/watch?v=HuBk-xrOhgY)

Passamos o documentário enfatizando o trecho em que se explora a tensão entre a proposta

criacionista de Terra Jovem de que o universo foi criado há 6 mil anos e os resultados da cosmologia

científica que indicam que a idade do universo é da ordem de bilhões de anos. Mostrar que quando

18

olhamos para o céu vemos a luz que foi emitida há muito tempo, até alguns milhões de anos no caso das

galáxias com Andrômeda.

Segundo a teoria do Big Bang o universo teria cerca de 14 bilhões de anos. Perguntamos: como os

cientistas estimaram essa idade?

2º Momento: Medidas da idade do universo.

Apresentaremos brevemente algumas possibilidades de medidas de tempo, envolvendo resultados

de datação a partir do decaimento radioativo do C14, de dados geológicos, biológicos e astronômicos.

Contudo, daremos ênfase nos métodos relacionados à cosmologia (e não a astronomia), já que este é o

assunto do curso.

Mostrar como é possível estimar a idade do universo a partir do valor da constante de Hubble (ver

seção 5.1 do texto auxiliar “Controvérsias na cosmologia”). Desenvolver atividade com aos alunos,

permitindo a eles calcularem a idade do universo a partir da Lei de Hubble com os dados de 1929.

3º Momento: Limites da estimativa

Discutir as limitações da estimativa da idade do universo, como o fato da velocidade não ser

necessariamente constante, da Lei de Hubble não ser necessariamente válida sempre, que a constante de

Hubble também pode variar no tempo, entre outras.

Problematização: por que os valores encontrados por Hubble eram um problema? Esta questão será

abordada na aula 7.

AULA 7

Tema: O problema da idade do universo

Objetivo: Apresentar a teoria do Estado Estacionário e sua solução para o “problema da idade do

universo”, relembrando a questão: o universo teve um começo ou sempre existiu?

Conteúdo Físico: Modelo estacionário, criação de matéria, densidade.

Recursos Instrucionais: giz e lousa, slides, seções 5 e 6 do texto “Controvérsias na cosmologia”

19

Motivação: Mostrar que houve e ainda há teorias diferentes da teoria do Big Bang, preparando a

discussão final sobre a questão: “O Big Bang está provado?”.

Dinâmica da Aula: aula expositiva e discussões

1º Momento: O Big Bang e o problema da idade do universo

Apresentação dos “pais” da teoria do Big Bang: Friedmann, Lemaitre, Eddington, Gamow, Alpher e

Hermann.

Formular o problema da idade do universo e apresentar algumas propostas de solução por Gamow,

Lemaître, Friedman, Eddington e Hoyle.

2º Momento: A teoria do estado estacionário

Leitura da parte III do texto “Big Bang Brasil”, apresentando Hoyle e Gamow.

Apresentar a teoria do Estado Estacionário: Hoyle, Bondi, e Gold, a diferença entre estático e

estacionário e a série de palestras da BBC: A natureza do Universo, apresentada por Hoyle (1950). Ver

texto “Controvérsias na cosmologia”, seção 6.

Apresentar dois trechos do documentário: “Lost Horizons – The Big Bang” (Al-Khalili, 2008)

sobre Hoyle explicando a teoria do Big Bang e depois defendendo sua teoria do estado estacionário.

3º Momento: novas medidas da idade do universo

Nessa atividade são utilizados dados reais de redshift de galáxias e se explica como a partir destes

redshift é possível estimar a idade do universo com dados contemporâneos.

Outra alternativa caso haja mais tempo disponível é realizar a atividade A Lei de Hubble e a idade

do universo do programa Telescópios na Escola, Disponível em

http://www.telescopiosnaescola.pro.br/hubble.pdf. Nesta atividade não são fornecidos diretamente os

valores das medidas da constante de Hubble. Os alunos podem medi-los a partir de espectros reais de

galáxias.

AULA 8

Tema: O desfecho da controvérsia entre Big Bang e Estado Estacionário. Hoje o Big Bang está

provado?

20

Objetivo: Responder a questão: o universo teve um começo ou sempre existiu? e o conceito de

“provas” na ciência

Conteúdo Físico: Radiação cósmica de fundo.

Recursos Instrucionais: giz e lousa, slides

Motivação: Questionar a aceitação acrítica da teoria do Big Bang motivada pela forma impositiva

com que as obras de divulgação científica costumam apresentar resultados cosmológicos. Deixar

claro as dúvidas presentes na cosmologia atual, assim com o possibilidade de teorias alternativas.

Dinâmica da Aula: aula expositiva e discussões

1º Momento: Big Bang Brasil: final

Leitura da parte IV do texto “Big Bang Brasil”, apresentando Dicke, Penzias e Smoot.

Explicar muito superficialmente a radiação cósmica de fundo e os resultados dos satélites espaciais

COBE e WMAP (seção 7.3 do texto controvérsias na cosmologia).

2º Momento: O Big Bang está provas?

Propor uma discussão: e agora, o Big Bang está provado? Para você, o universo teve um começo ou

sempre existiu? Apresentar possíveis definições para o termo “provar” estimulando as discussões dos

alunos primeiro em pequenos grupos e depois para o grande grupo.

3º Momento: Fechamento

Reconhecer que a cosmologia é um ramo bem estabelecido da ciência e que fez avanços

importantes, mas que ainda persistem muitas dúvidas. Há diversas questões controversas e mesmo que

boa parte da comunidade científica defenda que o universo teve um começo, existem propostas

alternativas, incluindo algumas em que o universo sempre existiu. (seção 7.5 do texto “Controvérsias na

cosmologia”.

Total da atividade 3: 3 aulas

21

Referências

AL-KHALILI, J. Lost Horizons: The Big Bang. [Filme-vídeo]. BBC, British Broadcasting

Corporation, 2008.

ARTHURY, Luiz Henrique M. A cosmologia moderna à luz dos elementos da epistemologia de Lakatos. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal de Santa Catarina, 2009.

ASSIS, André. K. T.; NEVES, Marcos C. D. e SOARES, Domingos S. d. L. A cosmologia de

Hubble: De um universo finito em expansão a um universo infinito no espaço e no tempo. In: M. C. D. Neves e J. A. P. d. Silva (Editores), Evoluções e Revoluções: O Mundo em Transição, Editora Massoni e LCV Edições, Maringá, pp. 199-221, 2008.

GREF, Física, 3 volumes Edusp, São Paulo, 1993.

HARRISON, Edward. R. Cosmology. The Science of the Universe, Cambridge University Press, Cambridge, 1981.

HENRIQUE, Alexandre B. e SILVA, Cibelle Celestino. Discutindo a natureza da ciência a partir de episódios da história da cosmologia: o universo teve um começo ou sempre existiu? In: Atas do VII Encontro de Pesquisa em Educação em Ciências- ENPEC. Florianopolis, SC, 2009.

HENRIQUE, Alexandre B. e SILVA, Cibelle Celestino. Relações entre ciência e religião na formação de professores: estudo de caso acerca de uma controvérsia cosmológica. Artigo submetido ao XII Encontro de Pesquisa em Ensino de Física –EPEF. Águas de Lindóia, 2010.

KRAGH, Helge. Cosmology and Controversy: The Historical Development of Two Theories of the Universe. Princeton, Princeton University Press, 1996.

KRAGH, Helge. Matter and Spirit in the Universe: Scientific and Religious Preludes to Modern Cosmology. London: Imperial College Press, 2004.

ROSENFELD, Rogério. A cosmologia. Revista Física na Escola, v. 6, n. 1, 2005.

SEPÚLVEDA, Claudia e EL-HANI, Charbel. N. Quando visões de mundo se encontram: religião e ciência na trajetória de formação de alunos protestantes de uma licenciatura em Ciências Biológicas. Investigações em Ensino de Ciências, vol.9, n.2, 2004.