Em 1925, Einstein foi passear com uma jovem estudante chamada Esther Salaman. Enquanto vagavam, ele compartilhou seu principal princípio intelectual orientador: "Quero saber como Deus criou este mundo. Não estou interessado neste ou naquele fenômeno, no espectro deste ou daquele elemento. Quero conhecer Seus pensamentos; o resto são apenas detalhes ".
A frase "pensamentos de Deus" é uma metáfora deliciosamente adequada para o objetivo final da física moderna, que é desenvolver um entendimento perfeito das leis da natureza - o que os físicos chamam de "uma teoria de tudo" ou TOE. Idealmente, um TOE responderia a todas as perguntas, sem deixar nada sem resposta. Por que o céu é azul? Coberto. Por que a gravidade existe? Isso também é coberto. De maneira mais científica, um TOE explicaria idealmente 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 o porquê, vamos fazer um balanço.
Conhecemos duas teorias que, quando tomadas em conjunto, dão uma boa descrição do mundo ao nosso redor, mas ambas estão a anos-luz de serem um TOE.
A segunda teoria é chamada Modelo Padrão, que descreve o mundo subatômico. É nesse domínio que os cientistas fizeram o progresso mais óbvio em direção a uma teoria de tudo.
Se olharmos para o mundo à nossa volta - o mundo das estrelas e galáxias, poodles e pizza, podemos perguntar por que as coisas têm as propriedades que elas têm. Sabemos que tudo é composto 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 chamada leptons.
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 conhecem quatro forças fundamentais, três das quais - eletromagnetismo e forças nucleares fortes e fracas - são entendidas no nível subatômico. O eletromagnetismo mantém os átomos unidos e é responsável pela química. A força forte mantém unido o núcleo dos átomos e mantém quarks dentro de prótons e nêutrons. A força fraca é responsável por alguns tipos de decaimento nuclear.
Cada uma das forças subatômicas conhecidas possui uma partícula ou partículas associadas que carregam essa força: o glúon carrega a força forte, o fóton governa o eletromagnetismo e os bósons W e Z controlam a força fraca. Há também um campo de energia fantasmagórica, chamado campo de Higgs, que permeia o universo e dá massa a quarks, leptons e algumas das partículas que carregam força. Tomados em conjunto, esses componentes e forças compõem o Modelo Padrão.
Usando quarks e leptons e as conhecidas partículas portadoras de força, pode-se construir átomos, moléculas, pessoas, planetas e, de fato, toda a matéria conhecida do universo. Esta é sem dúvida uma tremenda conquista e uma boa aproximação de uma teoria de tudo.
E, no entanto, realmente 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 (eletromagnetismo, gravidade e forças nucleares fortes e fracas). Além disso, não existe uma teoria quântica conhecida da gravidade (ou seja, nossa definição atual abrange apenas a gravidade envolvendo coisas maiores que, por exemplo, poeira comum), portanto a gravidade nem sequer faz parte do Modelo Padrão. Assim, os físicos continuam procurando uma teoria ainda mais fundamental e subjacente. Para fazer isso, eles precisam reduzir o número de componentes e forças.
Encontrar um bloco de construção menor será difícil, porque isso requer um acelerador de partículas mais poderoso do que os humanos já construíram. O horizonte de tempo para uma nova instalação de acelerador entrando em operação é de várias décadas e essa instalação fornecerá apenas uma melhoria incremental relativamente modesta sobre as capacidades existentes. Portanto, os cientistas devem especular sobre como seria um bloco de construção menor. Uma idéia popular é chamada teoria das supercordas, que postula que o menor bloco de construção não é uma partícula, mas uma "corda" pequena e 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 leptons. Dessa maneira, um único tipo de string pode ser o melhor bloco de construção.
O problema é que não há evidências empíricas de que realmente existam supercordas. 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 energia muito grande de Planck está intimamente ligada ao que é conhecido como comprimento de Planck, um comprimento insondável para além do qual os efeitos quânticos se tornam tão grandes que é literalmente impossível medir algo menor. Enquanto isso, vão menores 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 essa seja a escala na qual a gravidade quântica será compreendida. É claro que tudo isso é muito especulativo, mas reflete nossa melhor previsão atual. E, se for verdade, as supercordas deverão permanecer especulativas no futuro próximo.
A pletora de forças também é um problema. Os cientistas esperam "unificar" as forças, mostrando que são apenas manifestações diferentes de uma única força. (Sir Isaac Newton fez exatamente isso quando mostrou a força que fazia as coisas caírem na Terra e a força que governava o movimento dos céus era a mesma coisa; James Clerk Maxwell mostrou que eletricidade e magnetismo eram comportamentos realmente diferentes de uma força unificada chamado eletromagnetismo.)
Na década de 1960, os cientistas foram capazes de mostrar que a força nuclear fraca e o eletromagnetismo eram na verdade duas facetas diferentes de uma força combinada chamada força eletro-fraca. Agora, os pesquisadores esperam que a força eletrofraca e a força forte possam ser unificadas no que é chamado de grande força unificada. Então, eles esperam que a grande força unificada possa ser unificada com a gravidade para fazer uma teoria de tudo.
No entanto, os físicos suspeitam que essa unificação final também ocorra na energia de Planck, novamente 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, é uma energia muito maior do que esperamos alcançar dentro de um acelerador de partículas em breve. Para dar uma noção do abismo entre as teorias atuais e uma teoria de tudo, se representássemos as energias das partículas que posso detectar como a largura de uma membrana celular, a energia de Planck é do tamanho da Terra. Embora seja concebível que alguém com uma compreensão completa das membranas celulares possa prever outras estruturas dentro de uma célula - coisas como DNA e mitocôndrias - é inconcebível que eles possam prever com precisão a Terra. Qual a probabilidade de prever vulcões, oceanos ou o campo magnético da Terra?
O simples fato é que, com uma lacuna tão grande entre a energia atualmente alcançável nos aceleradores de partículas e a energia de Planck, conceber corretamente uma teoria de tudo parece improvável.
Isso não significa que os físicos devam se aposentar e fazer a pintura de paisagem - ainda há um trabalho significativo a ser feito. Ainda precisamos entender fenômenos inexplicáveis, como matéria escura e energia escura, que compõem 95% do universo conhecido, e usar esse entendimento para criar uma teoria da física mais nova e abrangente. Essa teoria mais recente não será um TOE, mas será incrementalmente melhor do que o atual quadro teórico. Teremos que repetir esse processo repetidamente.
Decepcionado? 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 eletromagnetismo de Maxwell. A unificação eletrofraca era relativamente recente, apenas meio século atrás.
Dado que 350 anos se passaram desde nosso primeiro grande passo bem-sucedido nessa jornada, talvez seja menos surpreendente que o caminho que temos pela frente ainda esteja mais longo. A noção de que um gênio terá uma visão que resulta em uma teoria totalmente desenvolvida de tudo nos próximos anos é um mito. Estamos em uma longa jornada - e mesmo os netos dos cientistas de hoje não verão o fim.
Mas que jornada será essa.
Don Lincoln é pesquisador de física na Fermilab. Ele é o autor de "O Grande Colisor de Hádrons: A História Extraordinária do Bóson de Higgs e outras coisas que vão explodir sua mente"(Johns Hopkins University Press, 2014), e ele produz uma série de educação científica vídeos. Siga-o no Facebook. As opiniões expressas neste comentário são dele.
Don Lincoln contribuiu com este artigo para a Live Science Vozes de especialistas: artigos editoriais e idéias. Publicado originalmente na Live Science.
