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Brian Greene

Em busca da teoria unificada

Um dos maiores desafios da pesquisa científica, durante o processo de validação de uma teoria, é a dependência de seu caráter especulativo. Brian Greene, em sua conferência intitulada Em busca da teoria unificada, procurou mostrar ao público do Fronteiras do Pensamento como as principais descobertas da física foram elaboradas e comprovadas para, então, apresentar o status de seu trabalho.

Na primeira parte da conferência, Greene aborda as bases da física moderna por meio de analogias que permitem ao público não especializado compreender em poucos minutos conceitos amplamente complexos. Essa potencialidade discursiva tornou o físico um best seller. Seu trabalho de divulgação científica facilita a compreensão de abstratos (e, na maior parte das vezes, matemáticos) conceitos teóricos. Ainda que a exatidão seja prejudicada em sua explanação metafórica, apenas a possibilidade de aproximação do público geral à física já se constitui algo de grande valor.

Os estudos de caso destacados por Greene estão relacionados aos primeiros passos em direção a uma teoria unificada, que “seria uma descrição do universo, talvez traduzida em uma equação única, talvez baseada em um único princípio, que conseguisse descrever, de certa forma, tudo, o que é pequeno, o que é grande e o que está entre eles".

A gravidade seria “o fio da meada" da pesquisa acerca das leis profundas que regem o universo. Ela está relacionada à ontológica questão de como o universo teve início (cuja teoria mais popular atualmente é a do big bang). Sobre as maiores coisas do universo, como estrelas e planetas, atua a gravidade.

Isaac Newton criou a lei universal da gravidade, ainda ensinada aos alunos em todo o mundo, “Se você tem um objeto aqui e outro objeto ali, você pode determinar a atração gravitacional de cada um daqueles objetos sobre o outro especificando, simplesmente, as massas, os pesos do objeto e a distância entre eles", resumiu.

O conferencista chama atenção para o fato de que a matemática pôde prever onde os planetas do sistema solar estarão em qualquer momento. “A matemática, por motivos que até hoje não entendemos, se provou ser o idioma mais simples, econômico e profundo de descrição de como as coisas funcionam no universo", destacou o conferencista, que brincou com o fato de as grandes fórmulas da física serem pequenas o bastante para caber em uma camiseta.

A teoria de Newton foi rediscutida por Albert Einstein ao perceber que os resultados da aplicação de suas leis não podiam estar corretos por completo, ainda que fossem um passo na direção da verdade. O cientista questionava como um corpo poderia ser mantido em órbita no espaço, ou seja, qual é o mecanismo pelo qual a gravidade funciona. Greene destacou que Newton assumiu não saber o mecanismo em uma de suas publicações.

Para resolver essa questão, Einstein teve um insight brilhante: “O espaço pode se dobrar, se curvar, e essas curvas no espaço agem como sulcos, como vales e acabam influenciando o movimento de objetos que estão passando por esse ambiente curvo", explicitou o conferencista, e se utilizou de uma analogia mais palpável para a compreensão desse conceito com alto grau de abstração. Se o espaço for pensado como algo sólido, como uma folha de borracha, por exemplo, e se colocada na posição horizontal, ao lançar uma bola de gude sobre ela sua trajetória seria reta. Todavia, se colocarmos uma pedra sobre a borracha, ela irá afundar e ao lançar a bola de gude novamente, sua trajetória será curva. Nesta analogia, a folha de borracha seria o espaço e a pedra um corpo celeste – a Terra ou o Sol – que curva o ambiente e influencia o movimento de outros elementos.

A Teoria Geral da Relatividade de Einstein pôde ser confirmada por meio da observação celeste, mas esbarrava em uma limitação. Ela era aplicável apenas aos corpos e movimentos em grande escala. A mecânica quântica, em desenvolvimento na mesma época, afirmava que as teorias antigas de gravitação não poderiam ser aplicadas aos átomos, pois se elas se aplicassem os átomos se destruiriam. Portanto, havia a necessidade de novas leis que descrevessem o que ocorre em tudo aquilo que é pequeno.

O conceito crucial da mecânica quântica, colocado por Greene, é a existência de processos que vão além do provável. Por exemplo, uma pequena partícula, um elétron, jamais penetraria uma barreira se disparado contra ela, de acordo com a mecânica clássica. De acordo com a lei quântica, existe uma pequena probabilidade de que o elétron consiga atravessar a barreira. Ao realizar o experimento diversas vezes, de fato, às vezes o elétron consegue atravessá-la.

O conflito maior entre a Teoria da Relatividade e a mecânica quântica é o princípio da incerteza de Heisenberg. A aplicação prática do princípio diz que não é possível determinar onde um elétron está e saber, ao mesmo tempo, com que velocidade ele está se movimentando. Quanto mais souber sobre um dos dados, localização ou velocidade, menos saberá sobre o outro.

Em altos níveis de descrição, como a mecânica celeste, o nível de incerteza é tão baixo que não se consegue percebê-lo, mas em escalas cada vez menores, de acordo com Heisenberg, a incerteza é cada vez maior. Aprofundando-se mais na mecânica quântica, a imagem da folha de borracha aplicada a altos níveis de descrição se transforma na imagem de água em ebulição quando aplicada a baixos níveis de descrição, pois em uma escala mínima o próprio tecido do espaço estaria ondulando freneticamente. É justamente essa imagem do microespaço que entra em conflito com a imagem sutil do espaço legada por Einstein.

Se as duas teorias (uma apontada para o macro e outra para o micro) são válidas, mas conflitantes, não se poderia, por exemplo, descrever um fenômeno como o big bang.

Até esse momento, o público pôde acompanhar, com relativo conforto, a explanação de Greene por meio de suas analogias e animações especiais que permitiram visualizar os conceitos. A segunda parte da conferência, contudo, se mostrou mais desafiadora: como a Teoria das Supercordas, ainda em processo especulativo, pode ser a chave para uma teoria física unificada.

Um grupo de cientistas (dentre os quais alguns brasileiros e o próprio Brian Greene) está trabalhando em uma teoria que parece ser o caminho para a teoria unificada, que possa superar o conflito entre as leis existentes e descrever como o universo realmente funciona, a Teoria das Supercordas.

A primeira pergunta sobre a qual se debruçou ao tratar a teoria foi: “de que são feitas as coisas?". Os elementos fundamentais seriam os quarks e os elétrons (entre outras “espécies exóticas de partículas"). Mas talvez eles não sejam o fim da história, e a sequência de bonecas russas teria ainda, pelo menos, mais um passo.

A engrenagem menor seria um filamento de energia, que se parece com uma corda, que vibra como as cordas de um instrumento musical. Em vez de produzir sons musicais, as cordas produziriam espécies de partículas. Um elétron seria, portanto, uma corda que vibra em determinado padrão (se for mantida a analogia à música, todo dó sustenido seria um elétron, todo fá seria um quark etc.).

Ainda não foi possível testar a teoria porque o nível de descrição é baixo demais para as tecnologias de observação disponíveis atualmente. O que impulsiona sua pesquisa é a constatação de que ela parece resolver o conflito entre a Teoria Geral da Relatividade e a mecânica quântica.

“A característica mais estranha relevada pela análise matemática é que, se a Teoria das Supercordas estiver correta, o universo tem mais que três dimensões [altura, largura e profundidade]", observou Greene. Certos problemas matemáticos encontrados pelos físicos poderiam ser superados se o universo tivesse dez dimensões. A conclusão proposta pelos teóricos especula que as três dimensões que acessamos seriam as maiores dimensões reconhecíveis, mas que haveria outras menores que não conseguimos acessar.

Nestas dimensões estariam chaves para decifrar as constantes do universo, de por que há valores específicos e inalteráveis para a aceleração da gravidade, o peso dos elétrons e dos quarks. Na Teoria das Cordas, esses valores refletem o quanto essas cordas podem vibrar e, como são filamentos muito pequenos, elas não vibram apenas nas três grandes dimensões, mas igualmente nas microdimensões. “Como o ar que passa em um oboé tem padrões que ditam as notas daquele instrumento, os padrões vibracionais das cordas são ditados pelo formato dessas dimensões adicionais. Ou seja, se conhecêssemos o formato dessas, dimensões conseguiríamos calcular os padrões vibracionais e calcular esses números. Se as respostas que conseguirmos concordarem com os valores observados, teríamos uma conquista espetacular", se entusiasmou o físico.

O grande problema que surgiu foi o número de formatos possíveis que foram encontrados para essas dimensões: 10500 formatos em potencial. Houver três reações gerais a essa constatação: 1- desistir; 2- continuar e tentar encontrar uma diretiva matemática que diga qual é o formato correto; 3- assumir que não existe um formato correto, mas talvez todos os formatos sejam corretos e, de alguma forma, existam vários universos, cada um com um formato para sua dimensão adicional.

Sob a terceira perspectiva, nós viveríamos neste universo porque ele é o correto para que as cordas vibrem de modo a permitir os vinte números que tornam possível as estrelas brilharem. Desse modo, após o big bang criar o universo, em sequência ele criaria outro, e mais outros, e então outro... cada um com um formato diferente para sua dimensão adicional.

Brian Greene se depara com dificuldades para dar continuidade à sua pesquisa, mas trabalha para encontrar a devida validação teórica dos caminhos para os quais apontam as pesquisas contemporâneas, tal como o fizeram os grandes físicos do passado.


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