Damares Alves3 meses atrás24 min
Em 1925, Einstein foi passear com uma jovem estudante chamada Esther Salaman. Enquanto vagavam, ele compartilhou seu principal princípio intelectual: "Eu quero saber como Deus criou este mundo. Eu não estou interessado neste ou naquele fenômeno, no espectro deste ou daquele elemento. Eu quero conhecer Seus pensamentos; o resto são apenas detalhes".
A frase "os pensamentos de Deus" é uma metáfora deliciosa para o objetivo final da física moderna, que é desenvolver uma perfeita compreensão das leis da natureza – o que os físicos chamam de "uma teoria de tudo", ou TOE. Idealmente, um TOE responderia a todas as perguntas, não deixando nada sem resposta. Por que o céu é azul? Coberto. Por que a gravidade existe? Isso é coberto também. Declarado de uma maneira mais científica, um TOE idealmente explicaria todos os fenômenos com uma única teoria, um único bloco de construção e uma única força. Na minha opinião, encontrar um TOE pode levar centenas, ou mesmo milhares de anos. Para entender por que, vamos fazer um balanço.
Conhecemos duas teorias que, quando consideradas em conjunto, fornecem uma boa descrição do mundo ao nosso redor, mas ambas estão anos-luz de ser um TOE.
A primeira é a teoria da relatividade geral de Einstein, que descreve a gravidade e o comportamento de estrelas, galáxias e do universo em escalas maiores. Einstein descreveu a gravidade como a flexão literal do espaço e do tempo. Esta ideia foi validada muitas vezes, principalmente com a descoberta de ondas gravitacionais em 2016.
A segunda teoria é chamado o Modelo Padrão, que descreve o mundo subatômico. É neste domínio que os cientistas fizeram o progresso mais óbvio em direção a uma teoria de tudo.
Se olharmos para o mundo ao nosso redor – o mundo das estrelas e galáxias, poodles e pizza, podemos perguntar por que as coisas têm as propriedades que eles tem. Sabemos que tudo é feito de átomos e esses átomos são compostos de prótons, nêutrons e elétrons .
E, na década de 1960, os pesquisadores descobriram que os prótons e nêutrons eram feitos de partículas ainda menores chamadas quarks e o elétron era um membro da classe de partículas chamadas léptons.
Encontrar os menores blocos de construção é apenas o primeiro passo na elaboração de uma teoria de tudo. O próximo passo é entender as forças que governam como os blocos de construção interagem. Os cientistas sabem de quatro forças fundamentais, três das quais – o electromagnetismo e as forças nucleares fortes e fracas – são compreendidas no nível subatômico. O electromagnetismo mantém os átomos juntos e é responsável pela química. A força forte une o núcleo dos átomos e mantém os quarks dentro dos prótons e nêutrons. A força fraca é responsável por alguns tipos de decaimentos nucleares.
Cada uma das forças subatômicas conhecidas tem uma partícula ou partículas associadas que carregam essa força: O glúon carrega a força forte , o fóton governa o electromagnetismo e os bósons W e Z controlam a força fraca. Existe também um campo de energia fantasmagórica, chamado de campo de Higgs, que permeia o universo e dá massa aos quarks, léptons e algumas das partículas que transportam força. Juntos, esses blocos de construção e forças compõem o Modelo Padrão.
Uma teoria de tudo explicaria todos os fenômenos conhecidos. Ainda não chegamos lá, mas unificamos o comportamento do mundo quântico no modelo padrão (amarelo) e entendemos a gravidade (rosa). No futuro, imaginamos uma série de unificações adicionais (verde). No entanto, o problema é que existem fenômenos que não entendemos (azul) que precisam se encaixar em algum lugar. E não estamos certos de que não encontraremos outros fenômenos à medida que formos para a energia superior (círculos vermelhos).
Usando quarks e léptons e as conhecidas partículas de força, pode-se construir átomos, moléculas, pessoas, planetas e, na verdade, toda a matéria conhecida do universo. Este é, sem dúvida, uma conquista tremenda e uma boa aproximação de uma teoria de tudo.
E ainda assim não é. O objetivo é encontrar um único bloco de construção e uma única força que possa explicar a matéria e o movimento do universo. O Modelo Padrão possui 12 partículas (seis quarks e seis léptons) e quatro forças (electromagnetismo, gravidade e forças nucleares fortes e fracas). Além disso, não há nenhuma teoria quântica conhecida da gravidade (o que significa que nossa definição atual cobre apenas a gravidade envolvendo coisas maiores do que, por exemplo, poeira comum), então a gravidade nem faz parte do Modelo Padrão. Assim, os físicos continuam a buscar uma teoria ainda mais fundamental e subjacente. Para isso, eles precisam reduzir o número de blocos de construção e forças.
Encontrar um bloco de construção menor será difícil, porque isso requer um acelerador de partículas mais potente do que os humanos já construíram. O horizonte de tempo para uma nova instalação de acelerador em funcionamento é de muitas décadas e essa instalação fornecerá apenas uma melhoria incremental relativamente modesta sobre as capacidades existentes. Então, os cientistas poderão especular sobre como um bloco de construção menor pode parecer. Uma ideia popular é chamada de teoria das supercordas , que postula que o menor bloco de construção não é uma partícula, mas sim uma pequena "corda" vibrante. Da mesma forma que uma corda de violoncelo pode tocar mais de uma nota, os diferentes padrões de vibração são os diferentes quarks e léptons. Dessa forma, um único tipo de corda pode ser o bloco de construção final.
O problema é que não há evidência empírica de que as supercordas realmente existam. Além disso, a energia esperada necessária para vê-los é chamada de energia de Planck, que é um quatrilhão (10 elevado à 15ª potência) vezes maior do que podemos gerar atualmente. A grande energia de Planck está intimamente ligada ao que é conhecido como comprimento de Planck, um comprimento insondável, além do qual os efeitos quânticos se tornam tão pequenos que é literalmente impossível medir qualquer coisa menor. Entretanto, menor que o comprimento de Planck (ou maior que a energia de Planck), e os efeitos quânticos da gravidade entre fótons, ou partículas de luz, tornam-se importantes e a relatividade não funciona mais. Isso torna provável que esta seja a escala na qual a gravidade quântica será entendida. É claro que tudo isso é muito especulativo, mas reflete nossa melhor previsão atual. E, se for verdade, as supercordas terão que permanecer especulativas em um futuro previsível.
A multiplicidade de forças também é um problema. Os cientistas esperam "unificar" as forças, mostrando que são apenas diferentes manifestações de uma única força. Isaac Newton fez exatamente isso quando mostrou a força que fez as coisas caírem na Terra e a força que governou o movimento dos céus era a mesma; James Clerk Maxwell mostrou que eletricidade e magnetismo eram realmente diferentes comportamentos de uma força unificada chamado electromagnetismo.
Na década de 1960, os cientistas conseguiram mostrar que a força nuclear fraca e o electromagnetismo eram na verdade duas facetas diferentes de uma força combinada chamada força fraca. Agora, os pesquisadores esperam que a força fraca e a força forte possam ser unificadas no que é chamado de grande força unificada. Então, eles esperam que a grande força unificada possa se juntar à gravidade para fazer uma teoria de tudo.
Historicamente, os cientistas mostraram como fenômenos aparentemente não relacionados se originam de uma única força subjacente. Nós imaginamos que esse processo continuará, resultando em uma teoria de tudo.
Entretanto, os físicos suspeitam que essa unificação final também ocorreria na energia de Planck, mais uma vez porque essa é a energia e o tamanho em que os efeitos quânticos não podem mais ser ignorados na teoria da relatividade. E, como vimos, esta é uma energia muito maior do que podemos esperar alcançar dentro de um acelerador de partículas em breve. Para se ter uma dimensão do abismo entre as teorias atuais e uma teoria de tudo, pode-se representar as energias de partículas que podemos detectar como a largura de uma membrana celular, e a energia de Planck com o tamanho da Terra. Embora seja concebível que alguém com um conhecimento profundo das membranas celulares possa prever outras estruturas dentro de uma célula – coisas como o DNA e as mitocôndrias – é inconcebível que elas possam prever com precisão as estruturas da Terra. Qual a probabilidade de preverem vulcões, oceanos ou o campo magnético da Terra?
O fato é que, com uma lacuna tão grande entre a energia que é alcançada atualmente nos aceleradores de partículas e a energia de Planck, conceberem corretamente uma teoria de tudo parece improvável.
Isso não significa que os físicos devam todos se aposentar e começar a pintar paisagens – ainda há muito trabalho significativo a ser feito. Ainda precisamos compreender fenômenos inexplicáveis ​​como a matéria escura e a energia escura, que constituem 95% do universo conhecido, e usar esse entendimento para criar uma teoria da física mais nova e abrangente. Esta nova teoria não será um TOE, mas será incrementalmente melhor que a atual estrutura teórica.
Desapontado? Eu também. Afinal, dediquei minha vida a tentar descobrir alguns dos segredos do cosmos, mas talvez alguma perspectiva esteja em ordem. A primeira unificação de forças foi realizada na década de 1670 com a teoria da gravidade universal de Newton. A segunda foi na década de 1870, com a teoria do electromagnetismo de Maxwell. A unificação força fraca foi relativamente recente, apenas meio século atrás.
Dado que 350 anos se passaram desde o nosso primeiro grande passo de sucesso nesta jornada, talvez seja menos surpreendente que o caminho à nossa frente seja ainda mais longo. A noção de que um gênio terá uma percepção que resulte em uma teoria totalmente desenvolvida de tudo nos próximos anos é um mito. Esse é um caminho muito longo – e até os netos dos cientistas de hoje não verão o fim.
Mas será uma grande jornada.
Don Lincoln é pesquisador de física no Fermilab . Ele é o autor de " O grande colisor de hádrons: a extraordinária história do bóson de Higgs e outras coisas que vão explodir sua mente " (Johns Hopkins University Press, 2014), e ele produz uma série de vídeos de educação científica . Siga-o no Facebook . As opiniões expressas neste comentário são dele.