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Os 18 maiores mistérios sem solução no campo da física

Por Natalie Wolchover | LiveScience
Traduzido e adaptado por Leonardo Ambrosio.

Em 1900, o físico britânico Lord Kevin disse que não havia mais a ser descoberto na ciência. Três décadas depois, as mecânicas quânticas e a teoria da relatividade de Einstein revolucionaram o campo. Hoje em dia, nenhum físico ousaria dizer que nós estamos próximos de completar todo o conhecimento possível sobre a física.

Nesta lista, do LiveScience, confira 18 mistérios desta área que ainda permanecem sem solução.

1. O que é a energia escura?

NASA

Os cientistas entendem a energia escura como uma constante cosmológica: uma propriedade do espaço, que possui pressão negativa. À medida em que o espaço se expande, mais espaço é criado, e com ele, mais matéria escura. Com base em observações sobre os níveis de expansão, os cientistas sabem que a soma de toda a energia escura deve representar 70% da composição do espaço. Mas ninguém sabe como estudá-la.

2. O que é a matéria escura?

ESO/L. Calçada

Evidentemente, cerca de 84% da matéria no universo não absorve ou emite luz. A “matéria escura”, como é chamada, não pode ser vista diretamente, e ainda não foi detectada por meios indiretos, tampouco. A sua existência e suas propriedades são sugeridas com base em seus efeitos gravitacionais na matéria visível, radiação e na estrutura do universo. Essa substância, acredita-se, é formada com partículas massivas de pouca interação – que até agora nunca foram encontradas.

3. Por que existe uma ‘seta do tempo’?

Shutterstock

O tempo se move para frente porque a propriedade chamada ‘entropia’ somente aumenta, e não há nenhuma forma de reverter um aumento na entropia depois que ele já ocorreu. O fato de que a entropia aumenta é uma questão de lógica: Existem mais arranjos desordenados de partículas que ordenados… e à medida em que as coisas mudam, elas tendem a cair em desordem. Mas a questão aqui é, por que a entropia era tao baixa no passado? Dito de outra forma, por que o universo estava assim tão ordenado no seu início, quando uma enorme quantidade de energia foi expelida em um pequeno espaço?

4. Universos paralelos existem?

Shutterstock

Dados astrofísicos sugerem que o espaço-tempo pode ser plano, em vez de curvado, e assim ele segue infinitamente. Se assim for, então a região que podemos ver (e chamamos de universo) é apenas um remendo em um multiverso infinitamente grande. Ao mesmo tempo, as leis da mecânica quântica ditam que há apenas um número finito de possíveis configurações de partículas dentro de cada fragmento do universo. Assim, com um número infinito de fragmentos cósmicos, as disposições de partículas dentro deles são forçadas a se repetir infinitas vezes. Isso significa que podem haver, igualmente, infinitos universos paralelos – fragmentos do universo exatamente iguais ao que estamos vivendo.

Há algo errado com essa lógica, ou seu resultado é verdadeiro? E se é verdade, como poderíamos detectar a presença de universos paralelos?

5. Por que existe mais matéria que antimatéria?

Shutterstock

A questão de por que existe mais matéria que antimatéria é, na verdade, uma questão extremamente complicada. Alguns cientistas afirmam que o universo produz matéria e antimatéria de maneira simétrica, e que no momento do Big Bang quantidades iguais de ambas foram liberadas. Mas se isso ocorreu, elas teriam se auto-destruído. Os prótons teriam se cancelado com antiprótons, elétrons com anti-elétrons (pósitrons), neutros com antineutrons, e etc. Portanto, havia um excesso de matéria, que não foi destruída. Para isso, não existe explicação aceitável.

6. Qual é o destino do universo?

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O destino do universo depende muito de um fator de valor desconhecido: Ω. Essa a unidade de medida da densidade da matéria e energia ao longo do cosmos. Se Ω for maior que 1, então o espaço-tempo será “fechado”, como a superfície de uma esfera enorme. Se não existir energia escura, tal universo eventualmente iria parar de expandir, e começar a contrair, eventualmente entrando em colapso. Mas se houver energia escura, esse universo esférico deve expandir para sempre.

Em outro caso, se Ω for menor que 1, então a geometria do espaço poderia ser “aberta”. Se for igual a 1, a tendência é que o universo seja plano, se expandindo para todos os lados.

7. Como as experiências colapsam as funções de onda?

John D. Norton

No estranho reino dos elétrons, prótons e outras partículas fundamentais, as mecânicas quânticas são lei. As partículas não agem como pequenas bolinhas, mas como ondas que se espalham por uma determinada área. Cada partícula é descrita por uma função de onda, ou a distribuição provável, que diz sua localização, velocidade e outras possíveis propriedades. Entretanto, essas propriedades não são dadas com certeza. Uma as propriedades de uma partícula só são definidas com alguma exatidão quando você faz medições experimentais. Mas até que ponto essas medições colapsam com as funções de onda? Isso é, a realidade que testamos talvez seja somente aquilo que percebemos, mas não o que realmente acontece durante o tempo todo.

8. A teoria das cordas está correta?

Creative Commons | Lunch

Quando os físicos assumem que todas as partículas elementares são ‘cordas’ de apenas uma dimensão, que vibram em diferentes frequências, a física se torna muito mais fácil. Tal teoria permite aos cientistas que reconciliem as leis que regem as partículas com as que regem o espaço-tempo, além de tornar possível a união entre as quatro forças fundamentais da natureza em apenas uma estrutura. Mas o problema é que a teoria das cordas só poderia funcionar em um universo com 10 ou 11 dimensões: três dimensões espaciais, seis ou sete compactadas e uma dimensão de tempo. As dimensões compactadas – bem como as cordas, no caso -, representam um bilhonésimo de trilhonésimo do tamanho do núcleo de um átomo. Não existe maneira plausível de analisar algo tão pequeno assim. Por isso, pelo menos por agora, não há como comprovar a teoria.

9. Existe ordem no caos?

Shutterstock

Os físicos não conseguem resolver com exatidão as equações que descrevem o comportamento dos fluidos, da água para o ar e de outros líquidos e gases. Na verdade, não se sabe até hoje se existe uma solução para as equações de Navier-Stokes. E mesmo se for encontrada uma solução não se sabe se ela descreverá os fluídos em qualquer lugar, ou apenas a partir do ponto de algum singularidade. Como consequência, a natureza do caos ainda não é compreendida. Os físicos e matemáticas conjecturam, por exemplo, se o clima é difícil de ser previsto, ou se não há mesmo como prevê-lo.

10. As forças do universo podem se unificar?

Lucas Taylor/CMS

O universo possui quatro forças fundamentais: eletromagnetismo, força nuclear forte, força nuclear fraca e gravidade. Até o momento, os físicos sabem que se você acelerar a energia o suficiente – por exemplo, dentro de um acelerador -, três dessas forças se unem, se tornando uma única força. Os físicos já rodaram aceleradores e unificaram as forças eletromagnéticas e a forças nuclear fraca. Em energias mais potentes, o mesmo aconteceu com a força nuclear forte e, eventualmente, a gravidade.

Mas até o momento nenhum acelerador de partículas conseguiu alcançar energias fortes o suficiente para unificar a força nuclear forte com o eletromagnetismo a força nuclear fraca. Talvez nós não tenhamos aceleradores poderosos o suficiente, ou os físicos não estão certos sobre como o universo funciona.

11. O que acontece dentro de um buraco negro?

ESO/L. Calçada

Segundo as teorias atuais, se um cubo de ferro cair dentro de um buraco negro, ele está perdido para sempre. Isso porque as teorias dizem que a velocidade de escape de um buraco negro é maior que a da luz, e a luz é o que há de mais rápido que conhecemos. Entretanto, alguns cientistas defendem que as informações quânticas não podem ser perdidas.

Para descrever um buraco negro, tudo que você precisa é de massa, momentum angular (se ele estiver girando) e carga. Nada sai de um buraco negro além de um pouco de radiação termal, chamada de Radiação de Hawking. Até onde sabemos, não há maneira de fazer o caminho reverso para calcular o que o buraco negro já “engoliu”. A informação é toda destruída. Entretanto, a teoria quântica diz que informação nunca pode estar completamente fora de alcance. E é aí que repousa o “paradoxo da informação”.

12. As singularidades ‘nuas’ realmente existem?

NASA E/PO, Sonoma State University, Aurore Simonnet

Uma singularidade ocorre quando alguma propriedade de uma “coisa” é infinita, e assim as leis da física como nós as conhecemos quebram. No centro dos buracos negros encontra-se um ponto infinitamente denso (embalado com uma quantidade finita de matéria) – um ponto chamado uma singularidade. Na matemática, as singularidades surgem o tempo todo – a divisão por zero é um exemplo, e uma linha vertical em um plano de coordenadas tem uma inclinação “infinita”. Na verdade, a inclinação de uma linha vertical é indefinida. Mas como é, de fato, uma singularidade? E como ela interage com o resto do universo? O que significa dizer que algo não tem superfície real e é infinitamente pequeno?

Uma singularidade “nua” é aquela que pode interagir com o resto do universo. Os buracos negros têm horizontes de eventos – regiões esféricas das quais nada, nem mesmo a luz, pode escapar. À primeira vista, você pode pensar que o problema de singularidades nuas é parcialmente resolvido pelos buracos negros, uma vez que nada pode sair do horizonte de eventos e a singularidade não pode afetar o resto do universo.

Mas se as singularidades podem se formar sem um horizonte de eventos ainda é uma questão em aberto. E se elas puderem existir nestas condições, então a teoria da relatividade geral de Albert Einstein precisará de uma revisão, porque ela se rompe quando os sistemas estão muito próximos de uma singularidade. As singularidades nuas também podem funcionar como buracos de minhoca, que também seriam máquinas do tempo – embora não haja nenhuma evidência para isso na natureza.

13. Violação da simetria de paridade de carga

agsandrew | Shutterstock.com

Se você trocar uma partícula com sua antimatéria, as leis da física devem permanecer as mesmas. Assim, por exemplo, o próton positivamente carregado deve ser igual a um antipróton negativamente carregado. Esse é o princípio da simetria de carga. Se você trocar a esquerda e a direita, novamente, as leis da física devem permanecer iguais. Isso é simetria de paridade. Juntos, os dois são chamados de simetria CP. Na maioria das vezes, esta regra da física não é violada. No entanto, certas partículas exóticas violam esta simetria. McNees disse que é por isso que é estranho. “Não deveria haver nenhuma violação do CP em mecânica quântica”, disse ele. “Nós não sabemos por que isso acontece.”.

14. Quando ondas de som produzem luz.

DmitrySteshenko/Shutterstock

Embora as questões de física de partículas respondam por muitos problemas não resolvidos, alguns mistérios podem ser observados em uma mesa de laboratório. A sonoluminescência é um desses. Se você pegar uma porção de água e atingi-la com ondas sonoras, formam-se bolhas. Essas bolhas são regiões de baixa pressão rodeadas por alta pressão; A pressão externa empurra o ar de baixa pressão, e as bolhas rapidamente entram colapso. Quando essas bolhas desmoronam, elas emitem luz, em flashes que duram trilionésimos de um segundo.
O problema é que está longe de ser claro qual é a fonte da luz. As teorias variam de pequenas reações de fusão nuclear a algum tipo de descarga elétrica, ou até mesmo o 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 produzem. Mas não há uma boa explicação de como as ondas sonoras criam essas luzes em uma bolha.

15. O que existe além do Modelo Padrão?

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O Modelo Padrão é uma das teorias físicas mais bem sucedidas já imaginadas. Ele tem funcionado por quatro décadas, e novas experiências continuam mostrando que ele está correto. O Modelo Padrão descreve o comportamento das partículas que compõem tudo ao nosso redor, bem como explica por que, por exemplo, as partículas têm massa. De fato, a descoberta do bóson de Higgs – uma partícula que dá matéria à sua massa – foi um marco histórico porque confirmou a previsão de longa data de sua existência.

Mas o Modelo Padrão não explica tudo. O Modelo Padrão fez muitas previsões bem-sucedidas – por exemplo, o bóson de Higgs, o bóson W e Z (que fazem a mediação entre as interações que governam a radioatividade) e quarks – então é difícil ver onde a física pode ir além dela. Dito isto, a maioria dos físicos concorda que o Modelo Padrão não está completo. Há vários candidatos a novos modelos mais completos – a teoria das cordas é um desses modelos – mas, até agora, nenhum deles foi verificado conclusivamente por experimentos.

16. Constantes fundamentais

 

Andreas Guskos | Shutterstock.com

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 (ou 186.282 milhas por segundo). Diferentemente da velocidade da luz, as constantes adimensionais não têm unidades e podem ser medidas, mas não podem ser derivadas de teorias, enquanto que constantes como a velocidade da luz podem ser.

Em seu livro “Apenas Seis Números: As Forças Profundas que Formam o Universo” (Basic Books, 2001), o astrónomo Martin Rees enfoca certas “constantes adimensionais” que ele considera fundamentais para a física. Na verdade, há muitos mais de seis; Cerca de 25 existem no Modelo Padrão.

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. Outra é a proporção das massas de muitas partículas fundamentais, como elétrons e quarks, para a massa de Planck (que é 1,22 ‘1019 GeV / c2). Os físicos adorariam descobrir por que esses números particulares têm esses valores, porque se fossem muito diferentes, as leis físicas do universo não permitiriam que os seres humanos estivessem aqui. No entanto, ainda não há uma explicação teórica convincente de por que eles têm esses valores.

17. O que é a gravidade?

koya979 | Shutterstock

O que é gravidade, afinal? Outras forças 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. McNees disse que todas as outras forças podem ser quantizadas, significando que poderiam ser expressas como partículas individuais e terem valores não-contidos.

A gravidade não parece ser assim. A maioria das teorias físicas dizem que deve ser transportada por uma hipotética partícula sem massa chamada graviton. O problema é que ninguém descobriu gravitons ainda, e não está claro que qualquer detector de partículas que poderia ser construído poderia vê-los, porque se gravitons interagem com a matéria, eles fazem isso muito, muito raramente – tão raramente que eles seriam invisíveis. Nem sequer está claro que os gravitons são livres de massa.

Como os gravitons 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 estar operando como uma partícula em dimensões extras além das três do espaço (comprimento, largura e altura) e uma de tempo (duração) que conhecemos, mas se isso é verdade ainda é desconhecida.

18. Vivemos em um falso vácuo?

Shutterstock/Sandy MacKenzie

O universo parece relativamente estável. Afinal, tem sido assim há cerca de cerca de 13,8 bilhões de anos. Mas e se a coisa toda for um grande acidente?

Tudo começa com o Higgs e o vácuo do universo. O vácuo, ou espaço vazio, deve ser o estado de energia mais baixo possível, porque não há nada nele. Enquanto isso, o bóson de Higgs – através do chamado campo de Higgs – fornece massa a tudo. Alexander Kusenko, professor de física e astronomia da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, disse que o estado de energia do vácuo pode ser calculado a partir da energia potencial do campo de Higgs e das massas do Higgs e do topo Quark (uma partícula fundamental).

Até agora, esses cálculos parecem mostrar que o vácuo do universo pode não estar no estado energético mais baixo possível. Isso significaria que é um falso vácuo. Se isso é verdade, nosso universo pode não ser estável, porque um falso vácuo pode ser derrubado em um estado de energia mais baixa por um evento suficientemente violento e de alta energia. Se isso acontecesse, haveria um fenômeno chamado bolha de nucleação. Uma esfera de vácuo de baixa energia começaria a crescer à velocidade da luz. Nada, nem mesmo a matéria em si, sobreviveria. Efetivamente, estaríamos substituindo o universo por outro, que poderia ter leis físicas muito diferentes.

Isso soa assustador, mas dado que o universo ainda existe, claramente não houve um evento deste tipo até então, e os astrônomos têm visto rajadas de raios gama, supernovas e quasares, todos os quais são bastante energéticos. Dito isto, a idéia de um falso vácuo significa que nosso universo poderia ter surgido da mesma maneira, quando o vácuo falso de um universo anterior foi derrubado em um estado de energia inferior. Talvez tenhamos sido o resultado de um acidente com um acelerador de partículas, por exemplo.

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