As muitas camadas da realidade

Podemos imaginar que a descrição científica da natureza é um bolo, com fatias de sabor variado

DURANTE SÉCULOS, cientistas sonharam em obter uma descrição completa do mundo, tentando fazer da ciência um símbolo maior do brilhantismo humano. Não seria fantástico se fôssemos capazes de prever o futuro em detalhe? A ciência como oráculo... muito irônico.

Essa seria a opressora realidade do cosmorrelógio, no qual leis estritamente determinísticas descreveriam todos os mecanismos da natureza. Esse sonho não passava de ilusão, e o projeto falhou.

Primeiro porque essa meta reducionista, para a qual tudo na natureza pode ser descrito a partir do comportamento das menores entidades de matéria, depende do acúmulo de muita informação (como as posições e velocidades de todas as partículas que compõem o Cosmo).

Mesmo os seus defensores mais ferrenhos, como o francês Laplace e outros, sabiam que, na prática, nunca daria certo. Medidas tomam tempo. E, quando você termina de medir algo aqui, o que está acolá já mudou de lugar! Mas, mesmo assim, acreditava-se num conjunto de leis que poderia ser usado para construir a realidade física do mais elementar ao mais complexo, a partir das entidades fundamentais da matéria e de suas interações.

Além disso, a física quântica, que descreve átomos, proíbe o conhecimento da posição e da velocidade de uma partícula com precisão arbitrária, impondo um limite absoluto ao que podemos conhecer.

Hoje, imagino (e espero) que poucos físicos acreditem que o projeto reducionista possa funcionar começando das partículas elementares e indo às moléculas, aos furacões ou à explicação de como os neurônios podem criar nosso senso de identidade.

Deixar de lado esta meta reducionista cria oportunidades únicas. Como escreveu o prêmio Nobel Philip Anderson, em 1972: "A cada nível de complexidade aparecem novas propriedades. Cada estágio requer leis e conceitos novos".

Podemos imaginar nossa descrição científica da natureza como um bolo de muitas camadas, cada qual com o seu sabor, ingredientes e feita segundo instruções diferentes. O bolo pode ser um só, mas não é possível cozinhá-lo começando com prótons e elétrons. (Da mesma maneira, uma sinfonia é muito mais do que um agrupamento de notas.)

Será que existem camadas-limite, indo da menor à maior? Ou será que a realidade é um "bolo de Babel", sem limites? Se considerarmos o que sabemos hoje, podemos dizer que existe uma distância mínima, onde o conceito de espaço deixa de fazer sentido: é o chamado "comprimento de Planck", igual a 1,6 x 10-35 metro (um próton tem aproximadamente 10-15 metro).

Em direção ao cósmico, a coisa é mais incerta. Podemos dizer que a porção observável do Universo, isto é, o volume de espaço onde podemos coletar informação usando formas diversas de radiação (como luz, ultravioleta e infravermelho), é de 46 bilhões de anos-luz.

Se o Universo continua além dessa fronteira- e não há razão para achar que não continue- não podemos sabê-lo. E se não podemos ver o que está além, esta é, de fato, a camada-limite do "muito grande". Portanto, nosso bolo da realidade não se estende ao infinitamente pequeno ou grande. Ao menos, essa é a receita atual.

Cosmologia de alta precisão

A descoberta de Penzias e Wilson deu início a uma revolução no estudo da cosmologia

A cosmologia, o estudo do Universo e das suas propriedades, sempre teve uma reputação duvidosa entre físicos e astrônomos. A razão principal desse ceticismo é, ou foi, bem razoável: historicamente, a cosmologia foi mais um exercício puramente teórico do que uma ciência experimental, onde ideias são testadas através de observações e experimentos. Durante boa parte do século 20, modelos cosmológicos tentaram, da melhor forma possível, adequar-se aos poucos dados que existiam sobre o Universo em que vivemos. Até meados da década de 1960, nem se podia escolher entre dois modelos rivais, o modelo do estado-padrão -que prevê um Universo eterno- e o modelo do Big Bang -que prevê um Universo com uma idade finita.

As coisas começaram a mudar quando, em 1965, Arno Penzias e Robert Wilson descobriram a radiação deixada quando os primeiros átomos foram formados. Chamada de radiação cósmica de fundo, ela permeia o Universo como o ar que enche um copo vazio. A cada centímetro cúbico de espaço existem cerca de 400 fótons dessa radiação, não muito diferentes dos criados num forno de micro-ondas. A descoberta de Penzias e Wilson deu início a uma revolução no estudo da cosmologia. Para começar, a radiação confirmou o Big Bang como o melhor modelo para descrever o nosso Universo: o cosmo tem um passado, uma data de nascimento. Usando dados modernos, os cientistas estimaram que a radiação tivesse surgido quando o cosmo tinha cerca de 400 mil anos de idade. Ela é um fóssil de uma era muito anterior à do nascimento das estrelas e dos planetas.

A propriedade mais fundamental do Universo é que, desde o seu surgimento, ele está em expansão. Astrônomos estudam a expansão medindo a luz e outras formas de radiação emitidas por galáxias distantes. Combinando medidas das distâncias e das velocidades de afastamento das galáxias é possível determinar a idade do Universo: 13,73 bilhões de anos, com um erro de menos de 1%, um feito sensacional, graças ao telescópio Hubble. O Universo é aproximadamente três vezes mais velho do que a Terra.

A história do Universo pode ser resumida da seguinte forma: de uma infância onde a matéria estava sujeita a temperaturas e pressões altíssimas, o cosmo foi expandindo e se resfriando. Esse resfriamento causou mudanças no comportamento da matéria, levando as partículas elementares a se organizarem em estruturas cada vez mais complexas: núcleos atômicos com prótons e nêutrons; átomos; moléculas; galáxias; estrelas; elementos químicos pesados; planetas; vida.

De minúsculas flutuações na temperatura da radiação cósmica de fundo é possível estudar os detalhes de como nasceram as primeiras galáxias. Tais medidas, com a incrível precisão de um centésimo de milésimo de grau, são feitas por satélites no espaço, como o WMAP, e por detectores voando em balões lançados da Antártida.

As medidas também determinaram a composição material do Universo. E aqui existem ainda muitos mistérios. A matéria comum, da qual somos feitos, consiste em apenas 5% da matéria total. Do resto, 23,3% (com 1,3% de precisão) consiste de "matéria escura", composta de partículas diferentes dos prótons e elétrons. Não sabemos que partículas são essas, se bem que existem muitas candidatas. Mas os últimos 72% são os mais enigmáticos. Descoberta em 1998, essa "energia escura" acelera a expansão cósmica, afastando galáxias ainda mais rapidamente. Muito possivelmente, o estudo da matéria e da energia escura nos levará a mais uma revolução. Mas, para tal, são necessários experimentos ainda mais precisos do que os que temos hoje.

O Universo como laboratório

Marcelo Gleiser
especial para a Folha

O poeta anglo-americano T.S. Eliot (1888-1965), nas linhas finais do quarto dos seus "Quatro Quartetos", escreveu (tradução minha): "Ao fim de todas as nossas explorações, chegaremos ao ponto de partida, conhecendo o lugar como que pela primeira vez". As linhas de Eliot descrevem perfeitamente o que ocorre hoje na interface entre a cosmologia, que estuda o Universo como um todo, e a física das partículas elementares, que investiga os tijolos fundamentais da matéria, a partir dos quais tudo é feito.

Existe uma confluência entre as duas disciplinas, uma interdependência na qual o avanço de uma afeta o avanço na outra. Esse casamento do micro com o macro é consequência direta do modelo do Big Bang, segundo o qual o Universo teve uma infância muito quente e densa.

Aplicando o que se sabe de física às condições radicais de temperatura e pressão vigentes nos primeiros instantes do cosmo, chega-se à conclusão de que, no início, não existiam estruturas contendo várias partículas como, por exemplo, um átomo -composto por prótons e nêutrons em seu núcleo, circundado por elétrons: a temperatura era tamanha que ela sobrepujava qualquer atração mútua entre essas partículas, impedindo a formação de estruturas mais complexas.
Existia um cabo-de-guerra: de um lado, as partículas querendo se agregar e, do outro, a radiação de alta temperatura (ou energia) bagunçando tudo. Fala-se de uma espécie de sopa cósmica, cuja receita vai mudando com a temperatura: à medida que o Universo se expande, a temperatura da radiação (e, consequentemente, a energia) vai caindo, permitindo a formação das primeiras estruturas.

É dessa coreografia primordial que, em torno de um centésimo de milésimo de segundo após o "bang", surgem os prótons e nêutrons, a partir dos quarks. Após um segundo, os primeiros núcleos atômicos, com prótons e nêutrons. Após 300 mil anos, os primeiros átomos de hidrogênio. Como sabemos disso? Inúmeras observações astronômicas mostram que o Universo é banhado em radiação, o fóssil da época de formação dos átomos, que surgiu quando elétrons finalmente se juntaram aos núcleos. Essa "radiação cósmica de fundo" é compatível com um Universo que teve uma infância quente e densa. Para entendermos os primeiros momentos dessa infância, é preciso aplicar a física das partículas à cosmologia. É aqui que a coisa complica.

As partículas elementares e suas interações são estudadas à força bruta, por meio de colisões promovidas em aceleradores de partículas, onde elas são atiradas umas contra as outras. Seria como atirar uma laranja contra outra a altíssima velocidade, para estudar o que há dentro delas. Sem dúvida, da colisão voariam caroços, suco e bagaço. Quando, por exemplo, um próton bate em outra partícula, o mesmo ocorre: da energia da colisão surgem várias outras partículas, matéria sendo criada a partir de energia, conforme dita a famosa fórmula E=mc2. Quanto maior a energia do choque, maior a massa das partículas criadas.

O problema é que os aceleradores são máquinas gigantescas e m
uito caras. Parece paradoxal, mas quanto maior a energia da colisão maior tem de ser o acelerador. A tecnologia atual permite colisões com energias equivalentes ao que ocorreu no Universo um trilionésimo de segundo após o "bang", mas não antes. Quem vai pagar por máquinas maiores, mais caras e, ainda assim, incapazes de atingir energias realmente próximas das do início do tempo?

O Universo primordial atingiu energias imensas, milhares de trilhões de vezes maiores do que as dos aceleradores. Tal como a radiação cósmica de fundo, é possível que essa era primordial tenha deixado fósseis, capazes de ser identificados hoje. Se partículas bem maciças foram produzidas na fornalha primordial, elas podem ser detectadas aqui na Terra. Na falta de tecnologias alternativas, o futuro da física de altíssimas energias está nas mãos da cosmologia. E o futuro da cosmologia também está nas mãos da física de partículas. Voltando a Eliot, o conhecimento futuro virá de uma volta ao momento no qual tudo começou.

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