Mistérios onde a Física não ajuda

Por que há uma flecha do tempo? O tempo só se move para frente, como todo mundo que já desejou poder voltar ao passado para mudar alguma coisa sabe muito bem. Mas por quê? Por causa de uma propriedade chamada de “entropia”, definida grosseiramente como o nível de desordem do universo. Ela só aumenta, e simplesmente não há maneira de reverter um aumento depois que ele ocorreu. Por exemplo, um ovo não pode ser “descozido”.

O fato de que a entropia aumenta é uma questão lógica: há mais arranjos desordenados de partículas do que arranjos ordenados. Conforme as coisas mudam, elas tendem a cair em desordem. Mas a questão subjacente (e intrigante) é: por que a entropia era tão baixa no passado? Por que o universo estava ordenado no seu início, quando uma enorme quantidade de energia estava “abarrotada” em uma pequena quantidade de espaço?

Como as medidas colapsam funções de onda quânticas? No reino estranho dos elétrons, fótons e outras partículas fundamentais, a mecânica quântica é a lei. As partículas se comportam como ondas espalhadas por uma grande área.

Cada partícula é descrita por uma “função de onda”, ou distribuição de probabilidade. Como o nome sugere, essa função que diz quais são suas prováveis propriedades, como localização e velocidade, mas isso não é nada definitivo. A partícula tem uma gama de valores para todas as propriedades, até que você experimente medir uma delas – a localização, por exemplo -, ponto no qual a função “colapsa” e adota apenas um valor. Mas como e por que a medição de uma partícula faz com que sua função de onda colapse, produzindo a realidade concreta que percebemos existir?

A teoria das cordas está correta? Quando os físicos assumem que todas as partículas elementares são como “laços unidimensionais”, ou “cordas”, cada uma das quais vibrando em uma frequência diferente, a física fica muito mais fácil.

A teoria das cordas permite aos físicos conciliar as leis que governam as partículas, a mecânica quântica, com as leis que governam o espaço-tempo, a relatividade geral, e unificar as quatro forças fundamentais da natureza. O problema é que a teoria das cordas só pode funcionar num universo com 10 ou 11 dimensões: três espaciais grandes, seis ou sete espaciais compactas e uma dimensão temporal. As dimensões espaciais compactas – assim como as próprias cordas vibratórias – são cerca de um bilionésimo de um trilionésimo do tamanho de um núcleo atômico.

Não há nenhuma maneira concebível de detectar qualquer coisa tão pequena, e portanto não há nenhuma maneira conhecida para validar ou invalidar experimentalmente a tal teoria.

Existe ordem no caos? Os físicos não conseguem resolver exatamente o conjunto de equações que descreve o comportamento dos fluidos, da água ao ar a todos os outros líquidos e gases. De fato, não se sabe se existe uma solução geral para as chamadas equações de Navier-Stokes. Como consequência, a natureza do caos não é bem compreendida. Físicos e matemáticos se perguntam: o tempo é meramente difícil de prever, ou inerentemente imprevisível? A turbulência transcende a descrição matemática, ou tudo faz sentido se for abordado com a matemática correta?

As forças do universo se fundem em uma só? O universo experimenta quatro forças fundamentais: eletromagnetismo, força nuclear forte, força nuclear fraca e gravidade. Até agora, os físicos sabem que se você aumentar a energia o suficiente – por exemplo, dentro de um acelerador de partículas – essas forças se “unificam”.

Os físicos já conseguirem ver a força eletromagnética e a nuclear fraca se unificarem. Em energias mais elevadas, a mesma coisa deveria acontecer com a força nuclear forte e, eventualmente, com a gravidade. Mas, até agora, nenhum acelerador de partículas atingiu energias suficientemente elevadas para unificar a força forte com o eletromagnetismo e a fraca. A inclusão da gravidade significaria ainda mais energia. Não está claro se os cientistas poderiam um dia construir tal máquina tão poderosa; o Grande Colisor de Hádrons (LHC), perto de Genebra, pode fazer partículas se chocarem com energias nos trilhões de elétrons-volts. Para alcançar a energia de unificação, as partículas precisariam se chocar a pelo menos um trilhão de vezes mais potência.

Há também a possibilidade de que isso não dependa de um acelerador de partículas suficientemente potente – os físicos podem apenas estar errados sobre como o universo funciona.

O que acontece dentro de um buraco negro? O que acontece com as informações de um objeto se ele é sugado por um buraco negro? De acordo com as teorias atuais, não há maneira de recuperar qualquer uma delas. Isso é porque a gravidade de um buraco negro é tão forte que sua velocidade de escape é mais rápida do que a luz – e a luz é a coisa mais rápida que existe. No entanto, a mecânica quântica diz que a informação quântica não pode ser destruída.

A informação quântica é um pouco diferente da informação que armazenamos [com] 1s e 0s em um computador, ou os dados em nossos cérebros. Isso porque as teorias quânticas não fornecem informações exatas sobre, por exemplo, a localização de um objeto, e então não podemos calculá-la da mesma maneira que podemos calcular a trajetória de uma bola de beisebol com a mecânica. Em vez disso, essas teorias revelam o local mais provável ou o resultado mais provável de alguma ação. Como consequência, todas as probabilidades de vários eventos devem somar 1, ou 100%. Se você sabe como um sistema termina, pode calcular como ele começou.

Para descrever um buraco negro, tudo que você precisa é massa, momento angular e carga. Nada sai de um buraco negro, exceto por uma lenta liberação de radiação térmica chamada de radiação Hawking. Até onde sabemos, não há nenhuma maneira de fazer o cálculo reverso para entender o que o buraco negro realmente devorou. A informação é destruída. No entanto, a teoria quântica diz que a informação não pode estar completamente fora de alcance. Aí reside o “paradoxo da informação”.

Stephen Hawking e Stephen Perry notavelmente sugeriram em 2015 que, ao invés de ficar armazenada dentro das garras profundas de um buraco negro, a informação permanece em seu limite, chamado de horizonte de eventos. Muitos outros cientistas já tentaram resolver o paradoxo, mas, até agora, os físicos não podem concordar com uma explicação.

Existem singularidades nuas? Uma singularidade ocorre quando alguma propriedade de alguma “coisa” é infinita, e assim as leis da física como nós as conhecemos se quebram. No centro dos buracos negros encontra-se um ponto infinitamente denso (embalado com uma quantidade finita de matéria), chamado de singularidade.

Na matemática, as singularidades [pontos críticos] aparecem o tempo todo – dividir por zero é um exemplo. Mas, no mundo real, como seria uma singularidade? Como seria algo infinitamente pequeno?

Uma singularidade “nua” é aquela que pode interagir com o resto do universo. Os buracos negros, por exemplo, têm horizontes de eventos – regiões esféricas das quais nada, nem mesmo a luz, pode escapar. Mas será que singularidades podem se formar sem um horizonte de eventos? Essa ainda é uma questão em aberto. Se a resposta for sim, a teoria da relatividade geral de Albert Einstein precisará de uma revisão, porque ela não se sustenta quando os sistemas estão muito próximos de uma singularidade. As singularidades nuas também podem funcionar como buracos de minhoca, algo como “máquinas do tempo” – embora não haja nenhuma evidência disso na natureza.

Por que há violação da simetria CP? Se você trocar uma partícula por sua antipartícula irmã, as leis da física devem permanecer as mesmas. Por exemplo, o próton positivamente carregado deve parecer igual um antipróton negativamente carregado. Esse é o princípio da simetria de carga. Se você trocar esquerda e direita, novamente, as leis da física devem ser iguais. Isso é simetria de paridade. Juntas, ambas são conhecidas como simetria CP.

Na maioria das vezes, esta regra da física não é violada. No entanto, certas partículas exóticas conseguem quebrá-la. Por quê? Não sabemos.

Por que ondas sonoras criam luz? A sonoluminescência é um problema na física. Se, em um laboratório, você atingir um pouco de água com ondas sonoras, formam-se bolhas. Essas bolhas são regiões de baixa pressão rodeadas por alta pressão; a pressão externa logo empurra o ar, e as bolhas colapsam. Quando essas bolhas desmoronam, elas emitem luz, em flashes que duram trilionésimos de um segundo.

Qual o problema, então? Não está clara qual é a fonte da luz. As teorias variam de pequenas reações de fusão nuclear a algum tipo de descarga elétrica, ou mesmo de aquecimento por compressão dos gases dentro das bolhas. Os físicos mediram altas temperaturas dentro dessas bolhas, na ordem de dezenas de milhares de graus Fahrenheit, e tiraram várias fotos da luz que elas produzem. Mas não há uma boa explicação de como as ondas sonoras criam essa luz em uma bolha.

O que está além do Modelo Padrão da Física? O Modelo Padrão da Física é uma das teorias mais bem sucedidas. Tem permanecido verdadeiro por quatro décadas, e novas experiências continuam mostrando que está correto. O Modelo Padrão descreve o comportamento das partículas que compõem tudo ao nosso redor. De fato, a descoberta do bóson de Higgs – uma partícula que dá massa à matéria – foi um marco histórico porque confirmou a previsão de longa data de sua existência.

Mas ele não explica tudo. A maioria dos físicos concorda que o Modelo Padrão não está completo. Há vários candidatos a novos modelos mais bem complementados, sendo a teoria das cordas um deles, mas, até agora, nenhum foi verificado conclusivamente por experimentos. [Confira o abstract de um artigo publicado na Nature, onde pesquisadores apresentam experimentos que evidenciam um fenômeno que vai além da física de partículas estabelecida: Abstract e Artigo comentado em português].

Por que existem constantes fundamentais? As constantes sem dimensão são números que não têm unidades ligadas a eles. A velocidade da luz, por exemplo, é uma constante fundamental medida em unidades de metros por segundo. Diferentemente dela, no entanto, as constantes adimensionais podem ser medidas, mas não podem ser derivadas de teorias.

Existem várias “constantes adimensionais” fundamentais para a física. Por exemplo, a constante de estrutura fina, geralmente escrita como alfa, governa a força das interações magnéticas. Trata-se de cerca de 0,007297. O que torna este número estranho é que, se fosse diferente, a matéria estável não existiria. Os físicos adorariam descobrir por que esse e vários outros números particulares têm os valores que têm, porque caso contrário as leis do universo não permitiriam que estivéssemos aqui. No entanto, ainda não há uma explicação teórica convincente para as constantes.

O que é a gravidade, afinal? Três das quatro forças fundamentais que conhecemos são mediadas por partículas. O eletromagnetismo, por exemplo, é a troca de fótons. A força nuclear fraca é carregada pelos bósons W e Z, e os glúons carregam a forte força nuclear que mantém os núcleos atômicos juntos. Todas essas forças podem ser quantizadas, menos a gravidade.

A maioria das teorias físicas dizem que ela deve ser transportada por uma hipotética partícula sem massa chamada gráviton. O problema é que ninguém descobriu grávitons ainda, e não está claro se qualquer detector de partículas poderia um dia vê-los porque, se eles interagem com a matéria, fazem isso muito, muito raramente – tão raramente que seriam invisíveis contra o ruído de fundo. Nem sequer está claro se os grávitons não possuem massa, embora, se possuem, ela é muito, muito pequena – menor do que a dos neutrinos, uma das partículas mais leves conhecidas.

A teoria das cordas postula que os grávitons (e outras partículas) são laços fechados de energia, mas o trabalho matemático até hoje não produziu muito resultado sobre essa hipótese.

Como os grávitons ainda não foram observados, a gravidade tem resistido às nossas tentativas de compreendê-la da maneira que entendemos outras forças – como uma troca de partículas. Alguns físicos, notadamente Theodor Kaluza e Oskar Klein, postularam que a gravidade pode operar como uma partícula em dimensões extras além das quatro que conhecemos, mas não sabemos se isso é verdade ainda.

Fonte: Hypescience. Minhas correções/observações estão entre colchetes.

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