Segundo Astrid Eichborn, física da Universidade de Heidelberg, na Alemanha, quando reduzimos a escala de observação a níveis extremos, as leis da física clássica simplesmente deixam de funcionar.
Se você se aproximar cada vez mais do dispositivo em que está lendo esta postagem, a tela aparentemente lisa logo se dissolve em uma rede de pixels e moléculas. Ao ampliar ainda mais a imagem, surgem átomos — estruturas em que nuvens de elétrons vibram ao redor de núcleos atômicos.
Se o zoom continuar, mergulhamos no interior desses núcleos, onde prótons e nêutrons passam a parecer gigantescos, quase como sistemas solares, compostos por quarks ligados por intensos campos de força.
A partir desse ponto, as próprias forças fundamentais começam a mudar de comportamento. O eletromagnetismo e a força fraca tornam-se mais intensos, enquanto a força forte enfraquece. Durante algum tempo, essas mudanças seguem padrões relativamente bem compreendidos. Os físicos conseguem descrevê-las com bastante precisão. Até que deixam de conseguir.
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Lula é um excelente compositor. Compõe com todo mundo. Mas poucos desfrutam de sua amizade. Numa galeria de amigos, o macróbio colocaria o retrato de Jaques Wagner sob a melhor luz, mas a Polícia Federal ofereceu ao senador uma rara oportunidade de demonstrar que o apreço do presidente é correspondido. Investigado no inquérito sobre o Master — que fincou estacas nos três poderes — deveria se desligar imediatamente da função de líder do governo no Senado.Juridicamente, Jaques Wagner tem direito ao benefício da dúvida, mas, politicamente, uma dúvida criminal não é a melhor conselheira para um presidente da República. Em condições normais, afastar o investigado da liderança do governo seria conveniente. Em meio a uma guerra eleitoral, o afastamento é um incontornável preço a pagar. Regateando, o petismo pagará mais caro. E barateará as críticas a Flávio Bolsonaro por pedir dinheiro a Daniel Vorcaro.
Quando ampliamos a realidade a escalas cada vez menores — ou, equivalentemente, energias cada vez maiores — as leis estabelecidas da física começam a perder poder explicativo. A gravidade, praticamente irrelevante na escala atômica, passa a comportar-se de maneira errática. E é aí que entramos no reino de Planck, onde a física começa pede licença para sair da sala. Em outras palavras: ninguém sabe ao certo o que está acontecendo — mas as hipóteses são maravilhosamente sofisticadas.
A aparente falha da física de partículas nessa escala levou alguns físicos a sugerir que o universo talvez não seja composto fundamentalmente por partículas pontuais, mas por cordas e membranas vibrantes. Outros defendem que, nessas escalas extremas, o próprio espaço-tempo deixa de ser contínuo e passa a apresentar uma estrutura formada por laços. Mas Eichborn e seus colaboradores exploram uma possibilidade diferente.
Em 1976, Steven Weinberg — um teórico que mais tarde receberia o Prêmio Nobel — propôs que, ao ampliar suficientemente a escala de observação, poderíamos chegar a um ponto em que as regras da física simplesmente parariam de mudar. Novos domínios deixariam de surgir, a intensidade das forças se estabilizaria e a gravidade voltaria a fazer sentido.
Eichborn tornou-se uma das principais pesquisadoras a investigar essa hipótese, conhecida como segurança assintótica. Ao longo da última década, ela e seus colaboradores fizeram progressos significativos na tentativa de demonstrar que as leis quânticas provavelmente deixam de evoluir na escala de Planck, exatamente como Weinberg suspeitava. Além disso, conseguiram conectar a física desse regime extremo com fenômenos que podem ser estudados em escalas muito mais acessíveis.
Segundo a cientista, a abordagem utilizada para descrever a maioria das forças da natureza é a teoria quântica de campos, que pressupõe que o universo está repleto de campos quânticos ondulantes que se manifestam como partículas pontuais. Essas partículas se movem através de um espaço-tempo contínuo e interagem por meio de forças. O problema é que, quando tentamos tratar a gravidade quântica exatamente da mesma maneira — como um campo quântico flutuante — a teoria deixa de funcionar.
Em linhas gerais, para uma força bem compreendida como o eletromagnetismo, é necessário considerar flutuações do campo em todas as escalas. Em vez de desaparecerem à medida que ampliamos o zoom, essas flutuações manifestam-se como partículas virtuais com energias cada vez maiores. Nesse caso, a intensidade da força muda, mas o arcabouço teórico continua funcionando.
Quando a gravidade entra em cena, no entanto, a situação se complica. Como mostrou Albert Einstein, a gravidade está ligada à própria estrutura do espaço-tempo. Quando tentamos quantizá-la da mesma forma que outras forças, as flutuações tornam-se problemáticas: em distâncias extremamente pequenas, partículas virtuais de alta energia passam a interagir de maneiras que a teoria não consegue descrever.
Algo novo parece acontecer nessas escalas, e há basicamente três grandes linhas de pensamento sobre o que esse “algo novo” poderia ser. Uma possibilidade é que a teoria quântica de campos simplesmente deixe de funcionar. Nesse cenário, os objetos fundamentais deixariam de ser pontos e passariam a ser cordas microscópicas vibrantes.
Outra possibilidade é que o espaço-tempo não seja contínuo. Um copo d’água parece perfeitamente contínuo à primeira vista, mas sabemos que é composto por átomos discretos. Talvez o mesmo ocorra com o espaço-tempo — ideia explorada na chamada gravidade quântica em loop. Mas existe ainda uma terceira hipótese.
Talvez campos, partículas e espaço-tempo continuem existindo, mas a estrutura do universo, quando observada em escalas extremamente pequenas, passe a apresentar uma espécie de autossimilaridade, lembrando um fractal. A intensidade das forças — inclusive a gravidade — deixaria de variar indefinidamente, e passaríamos a observar repetidamente as mesmas regras de interação entre partículas. Essa é a essência da segurança assintótica.
Se esse regime autossimilar realmente existir, as flutuações do espaço-tempo e dos demais campos poderiam tornar-se estáveis o suficiente para que a boa e velha teoria quântica de campos continuasse sendo utilizada para fazer previsões — mesmo em energias extremamente altas. E simetrias são extremamente comuns na natureza. O próprio espaço-tempo possui diversas simetrias fundamentais. Não existem direções privilegiadas, lugares especiais ou momentos absolutos. Mas existem escalas privilegiadas.
O mundo se apresenta de uma forma para os seres humanos, de outra para bactérias e de uma maneira completamente diferente para elétrons. Porém, no nível mais fundamental da realidade, talvez nem mesmo essas escalas sejam especiais. Talvez o infinitamente pequeno seja apenas o infinitamente grande visto de muito perto.
Se a teoria quântica de campos nunca falhou em laboratório, uma maneira de torná-la preditiva em todas as escalas seria justamente introduzir essa simetria de escala. Para verificar se isso é possível, os físicos utilizam algo semelhante a um microscópio matemático. Eles constroem representações matemáticas dos campos e de suas interações e calculam como essas interações mudam à medida que aumentamos o “zoom” energético. Em seguida, procuram um ponto fixo, onde essa evolução simplesmente deixa de ocorrer.
Grande parte da comunidade científica tem investigado inicialmente o caso mais simples: um espaço-tempo vazio, contendo apenas gravidade pura. Alguns pesquisadores simplificam ainda mais o problema e consideram apenas flutuações quânticas do espaço, ignorando temporariamente as flutuações do tempo. Esses cenários foram analisados em centenas de trabalhos teóricos, e muitos deles indicam de forma bastante robusta a existência de um ponto fixo onde as constantes físicas deixam de evoluir.
Em um de seus primeiros estudos, Eichborn incluiu todos os campos de matéria e força conhecidos e concluiu que o ponto fixo ainda aparecia — mesmo nesse cenário mais complexo. Posteriormente, análises mais completas mostraram que o ponto fixo permanece mesmo quando se consideram diversas formas adicionais de interação entre os campos conhecidos.
Outra maneira de testar a ideia consiste em inverter o raciocínio: em vez de procurar matematicamente um ponto fixo nos modelos, parte-se da hipótese de que ele existe e pergunta-se quais seriam suas consequências observáveis no mundo macroscópico. Curiosamente, essa hipótese parece forçar o universo a se parecer muito com o universo que realmente observamos.
Em 2009, Mikhail Shaposhnikov e Christof Wetterich mostraram que, ao se afastar de um ponto fixo desse tipo, a massa do bóson de Higgs tende a aumentar. Num universo sem esse ponto fixo, as massas das partículas poderiam assumir praticamente qualquer valor. Já na presença dele, surge uma interação muito específica entre a gravidade e a força eletrofraca, restringindo os valores possíveis de certas massas fundamentais.
Em outras palavras, um universo com simetria de escala fundamental poderia explicar por que as propriedades das partículas elementares são exatamente aquelas que observamos. Isso não significa, naturalmente, que a segurança assintótica resolva todos os mistérios da física. A massa do próton observada é compatível com a existência de um ponto fixo, mas também poderia ser dezenas de vezes maior sem violar a teoria. Até onde sabemos, nenhuma propriedade conhecida das partículas contradiz a segurança assintótica — o que significa que ela permanece uma possibilidade em aberto.
Por outro lado, vários modelos populares de matéria escura parecem entrar em tensão com essa ideia. Algumas versões simples de partículas massivas de interação fraca, certos candidatos semelhantes a áxions e modelos de matéria escura ultraleve parecem menos compatíveis com um universo fundamentalmente autossimilar.
Os experimentalistas continuam avançando, e muitos dos experimentos atuais podem acabar funcionando, indiretamente, como testes da própria segurança assintótica. É perfeitamente possível, no entanto, que essa abordagem não seja incompatível com outras teorias de gravidade quântica.
Talvez, na escala mais fundamental da realidade, existam cordas, laços ou estruturas ainda mais exóticas. Mas, ao nos afastarmos dessas escalas extremas, poderíamos entrar em um regime onde as leis da física mudam tão lentamente que o universo parece operar em torno de um ponto fixo. Se isso for verdade, diferentes teorias de gravidade quântica talvez não sejam rivais — mas apenas maneiras distintas de olhar para a mesma física profunda.
Na pesquisa em gravidade quântica, afinal de contas, ser humilde é sempre uma boa ideia.
