Um velho sonho da ciência é o de encontrar a teoria total, aquela que seja capaz de descrever todos os sucessos do Universo a partir de umas poucas leis singelas. Uma teoria que englobasse as quatro forças fundamentais.
1. O que são as forças?
Uma pergunta tão simples como esta não tem uma resposta fácil. Se não, tratem de respondê-la vocês mesmos, sem recorrer a uma linguagem técnica nem matemática… Difícil, não é? O mesmo problema foi apresentado à Isaac Newton quando em sua obra fundamental,” Os princípios matemáticos da filosofia natural”, teve que explicar o mesmo conceito de força, dizendo que força era aquilo que alterava o movimento dos corpos. O movimento relativo, não o absoluto, naturalmente. Mas chegar a distinguir um do outro gera uma grande dificuldade, ainda não resolvida. Em seu tempo (século XVII), gerou-se grande número de debates e discussões.
Claro que todos nós temos uma certa idéia do que são as forças. Durante a fase escolar, uma ou outra vez nos falaram do peso e da lei da gravidade, e da força elétrica e da fricção… Há uma infinidade de forças ao nosso redor, mas todas podem se classificar nas conhecidas quatro forças fundamentais.
2. O primeiro problema: a ação à distância
Outra pergunta aparentemente simples: através do que se transmitem as forças? No caso das forças de contato, é fácil responder. Quando um trator puxa um reboque, o faz através de um sistema de engrenagem; quando caminhamos, a fricção da sola de nossos sapatos com o chão nos faz avançar. O problema é que as forças de contato não são fundamentais, são manifestações da força elétrica que repele os elétrons situados na membrana dos átomos da superfície dos objetos. Como os elétrons têm carga elétrica negativa, repelem-se entre si, e assim se produz a impenetrabilidade dos corpos, aparecendo a ilusão das forças de contato. Mas o problema continua: através do que se transmitem as forças elétricas? Porque os elétrons não estão em contato entre si.
Com a força da gravidade (o peso) temos o mesmo problema. Todos nós estudamos que é a força que faz a Terra girar ao redor do Sol. Através do que se transmite a força? Através do vazio não pode ser, pois a física quântica demonstrou que o vazio não existe. Dirac, físico teórico descobridor das antipartículas, postulou que o que chamamos vazio não é mais do que um mar de partículas com energia negativa; quando uma delas recebe a suficiente energia para sair desse mar, graças a uma partícula luminosa (um fóton), surge para nosso mundo uma partícula (por exemplo o elétron) e nesse mar fica um buraco, a antipartícula (neste caso o pósitron). Assim, o vazio não existe, e a ação à distância não tem sentido.
3. O segundo problema: o campo
Naturalmente, esse problema não surgiu no século XX, nem com a mecânica quântica. Para tratar o problema da transmissão das forças, Faraday introduziu a noção de campo, como o meio no qual uma lei física tem validade. Portanto, uma massa cria um campo gravitacional que interage com outra massa, aparecendo então a força gravitacional entre as duas. O conceito de campo pode ser generalizado para todas as forças, não somente para a gravitacional.
Mas a idéia de campo apenas passou o problema para o mundo subatômico, o dos prótons, nêutrons e elétrons. Não podemos imaginar as partículas subatômicas como bolinhas; a mecânica quântica o proíbe. De fato, cada partícula tem uma onda associada, o que torna muito difícil, quase impossível, ter uma imagem física dela.
Atualmente, descrevem-se as partículas e as forças, que exercem entre si, por meio da teoria quântica de campos. Através de argumentos matemáticos, essa teoria defende a idéia de que as partículas são somente os diferentes estados de excitação de um campo, que já não é a região do espaço que vimos anteriormente, mas um espaço abstrato que só pode ser descrito matematicamente. Já não é possível dar às partículas e às forças formas geométricas. O mundo subatômico, sobre o qual se assenta toda a matéria e todo o mundo que conhecemos, é impossível de ser representado em termos e idéias do mundo que nos rodeia. As imagens de nosso mundo cotidiano não são válidas para representar o mundo do imensamente pequeno.
As partículas e as forças (interações) são todas invisíveis. Só podemos ver os rastros que deixam em alguns materiais.
4. As quatro interações fundamentais
A física contemporânea faz intervir 4 forças fundamentais: a gravidade, responsável pelas forças que conhecemos como peso e estabilidade do sistema solar; a interação eletromagnética que unifica a eletricidade e o magnetismo e que é responsável pela forma cotidiana de nosso mundo; a interação débil que governa os processos radiativos de decomposição beta; e a interação forte que estabiliza o mundo atômico.
Vimos que nem a ação à distância nem o campo clássico serve para descrever a ação das forças. A teoria quântica de campos nos diz que para que exista uma interação, uma partícula deve intercambiar-se entre os dois corpos, da mesma forma que quando se lança com força uma bola entre dois botes, eles se repelem entre si. No mundo subatômico em vez de repelirem-se, juntam-se. A partícula de intercâmbio mútuo chama-se bóson.
A gravitação
Todas as partículas são sensíveis à gravidade, inclusive as partículas luminosas, chamadas fótons. Comparada com as outras forças, é muitíssimo mais fraca. A vantagem é que é sempre atrativa e de alcance infinito. Para que tenha importância no mundo quântico são necessárias energias elevadíssimas, como nos primeiros instantes do Universo, o Big Bang. Por isso, não é levada em conta nos processos atômicos.
A suposta partícula mediadora (bóson da gravitação) é o gráviton. Como seu alcance é infinito, tem necessariamente uma massa nula. Ainda não foi descoberto.
A interação eletromagnética
Todas as partículas que estejam carregadas ou que possuam um pequeno ímã (spin) estão submetidas ao eletromagnetismo. A partícula que domina o intercâmbio é o fóton virtual, impossível de ser detectado como tal, mas podemos observar o fóton real como partícula luminosa. Como essa força é de alcance infinito, a massa do fóton, que é sua partícula mediadora, é nula.
A interação forte
É a responsável pela estabilidade do núcleo. O núcleo, sendo formado por partículas com carga positiva (prótons) e partículas sem carga (nêutrons), se não existisse a interação forte, a força elétrica repelente entre os prótons faria saltar o núcleo. Nem todas as partículas de matéria sofrem a interação forte. Só um tipo especial (os hádrons) é sensível à ela. Atualmente, pensa-se que as interações entre os nuclídeos (prótons e nêutrons) são a manifestação de interações mais básicas entre os quarks, partículas que formam os hádrons. Do mesmo modo que a carga elétrica origina a força elétrica, a carga de cor (propriedade que possuem os quarks, totalmente abstrata e que nada têm a ver com nossa cor cotidiana) origina a interação forte. A partícula mediadora dessa interação chama-se glúons. O alcance dessa interação é muito pequeno, atuando somente no interior do núcleo.
A interação fraca
Responsável pela radioatividade beta, a que faz com que um nêutron se decomponha em um próton, um elétron e um antineutrino. Ela inicia as reações termonucleares que permitem ao nosso Sol e a todas as estrelas produzirem, entre outras coisas, a luz que nos dá vida.
A interação fraca é transmitida através de partículas muito pesadas (daí seu pequeno alcance), chamadas bósons vetoriais intermediários. A existência desses bósons foi predita por uma teoria unificadora entre a interação eletromagnética e a fraca, conhecida como teoria eletro-fraca.
É muito interessante comprovar que a interação fraca não é totalmente simétrica, como as demais. Não obedece a uma simetria por paridade, quer dizer, observando um experimento no qual intervenha esta interação, não se obtém o mesmo resultado ao observá-lo diretamente através de um espelho.
A Unificação
Um velho sonho da ciência é o de encontrar a teoria total, aquela que seja capaz de descrever todos os sucessos do Universo a partir de umas poucas leis singelas. Uma teoria que englobasse as quatro forças fundamentais.
Ainda não se teve êxito nisso, pois não se pode introduzir a gravidade nos postulados da física quântica. O problema é difícil, já que a gravidade se descreve como uma força entre partículas esféricas, mas vimos que no mundo subatômico descrever as partículas com uma forma determinada é um engano.
5. Conclusão
A teoria da Grande Unificação, se descoberta, seria capaz de descrever todo o Universo durante todo o tempo presente, passado e futuro? É possível hoje em dia sustentar uma teoria determinista do Universo, onde tudo estivesse previsto e não houvesse liberdade individual dos seres e das coisas? Certamente que não. Hoje em dia já não podemos acreditar em um conhecimento científico totalmente enquadrado com a biologia, a geologia, a química, a física, a matemática… Não podemos supor que nosso mundo, tão complexo e tão diverso, possa reduzir-se a um grupo de coisas simples. A aproximação construcionista, que supõe a realidade como uma soma de estruturas simples, já não funciona.
De qualquer forma, embora se conseguisse a grande Unificação, não poderíamos calcular tudo. As equações seriam tão complexas que, na prática, seriam irresolúveis, salvo em casos totalmente ideais. E, além disso, como seriam comprovadas em um laboratório equações sem solução?
Parece então que uma teoria total, de momento, é inalcançável e, além disso, não teria muito sentido. Seria impossível conceber uma teoria total que ao mesmo tempo englobasse o pensamento, a consciência e a vida. Uma teoria assim é impensável, pois se engloba o pensamento tem que estar fora dele, e já não seria uma teoria formulável em termos matemáticos e, quem sabe, se está fora da capacidade da mente humana.
Perdemos o direito de analisar o mundo que nos rodeia? Acredito que não. Podemos observar harmonia, simetria e beleza nas leis que governam o Cosmos. Há uma Inteligência sob todos os fenômenos que nos rodeiam. Podemos conceber o Universo como penetrado por uma grande Inteligência, a qual lhe daria um Objetivo e uma Finalidade.
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