A indescritível Teoria de Tudo - Mistérios do Universo

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29 de março de 2018

A indescritível Teoria de Tudo

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Os físicos há muito procuram encontrar uma teoria final que unifique toda a física. Em vez disso, eles podem ter que se contentar com várias.




Por Stephen Hawking , Leonard Mlodinow, via Scientific American



O trabalho de Stephen Hawking sobre os buracos negros e a origem do universo é sem dúvida o progresso mais concreto que os físicos teóricos fizeram para reconciliar a gravitação de Einstein com a física quântica em uma teoria final de tudo.



Os físicos têm um candidato favorito para essa teoria, a teoria das cordas, mas ela vem em cinco formulações diferentes, cada uma cobrindo uma gama restrita de situações.

Uma rede de conexões matemáticas, no entanto, liga as diferentes teorias das cordas a um sistema abrangente, enigmaticamente chamado de teoria M: talvez a rede seja em si mesma a teoria final.
Em um novo livro, O Grande Projeto, Stephen Hawking e o físico da Caltech Leonard Mlodinow argumentam que a busca pela descoberta de uma teoria final pode, de fato, nunca levar a um conjunto único de equações. Toda teoria científica, eles escrevem, vem com seu próprio modelo de realidade, e pode não fazer sentido falar sobre o que a realidade realmente é. Este ensaio é baseado nesse livro.

Há alguns anos, a prefeitura de Monza, na Itália, proibiu os donos de animais de estimação de manter peixinhos dourados em aquários curvos. Os patrocinadores da medida explicaram que é cruel manter um peixe em uma tigela porque os lados curvos dão ao peixe uma visão distorcida da realidade. Além da importância da medida para o peixinho pobre, a história levanta uma questão filosófica interessante: Como sabemos que a realidade que percebemos é verdadeira?

O peixinho dourado está vendo uma versão da realidade diferente da nossa, mas podemos ter certeza de que ela é menos real? Por tudo que sabemos, nós também podemos passar a vida inteira olhando para o mundo através de uma lente distorcida.

Na física, a questão não é acadêmica. De fato, físicos e cosmólogos estão se encontrando em uma situação semelhante à do peixe dourado. Por décadas, temos nos esforçado para criar uma teoria definitiva de tudo - um conjunto completo e consistente de leis fundamentais da natureza que explique todos os aspectos da realidade. Parece agora que essa busca não produz uma única teoria, mas uma família de teorias interconectadas, cada uma descrevendo sua própria versão da realidade, como se ela visse o universo através de seu próprio aquário.

Essa noção pode ser difícil para muitas pessoas, incluindo alguns cientistas que trabalham, aceitarem. A maioria das pessoas acredita que existe uma realidade objetiva e que nossos sentidos e nossa ciência transmitem informações diretamente sobre o mundo material. A ciência clássica é baseada na crença de que existe um mundo externo cujas propriedades são definidas e independentes do observador que as percebe. Na filosofia, essa crença é chamada de realismo.

Aqueles que se lembram de Timothy Leary e da década de 1960, no entanto, conhecem outra possibilidade: o conceito de realidade da pessoa pode depender da mente do observador. Esse ponto de vista, com várias diferenças sutis, passa por nomes como antirrealismo, instrumentalismo ou idealismo. De acordo com essas doutrinas, o mundo que conhecemos é construído pela mente humana que emprega dados sensoriais como sua matéria-prima e é moldada pela estrutura interpretativa de nossos cérebros. Este ponto de vista pode ser difícil de aceitar, mas não é difícil de entender. Não há como remover o observador - nós - da nossa percepção do mundo.

A maneira como a física está indo, o realismo está se tornando difícil de defender. Na física clássica - a física de Newton que descreve com precisão nossa experiência cotidiana - a interpretação de termos como objeto e posição é, em grande parte, em harmonia com o nosso senso comum, a compreensão "realista" desses conceitos. Como dispositivos de medição, no entanto, somos instrumentos brutos. Os físicos descobriram que objetos do cotidiano e a luz que os vemos são feitos de objetos - como elétrons e fótons - que não percebemos diretamente. Esses objetos são governados não pela física clássica, mas pelas leis da teoria quântica.
A realidade da teoria quântica é um afastamento radical do da física clássica. No âmbito da teoria quântica, as partículas não têm posições definidas nem velocidades definidas, a menos e até que um observador mede essas quantidades. Em alguns casos, os objetos individuais nem sequer têm uma existência independente, mas apenas existem apenas como parte de um conjunto de muitos. A física quântica também tem implicações importantes para o nosso conceito do passado. Na física clássica, pressupõe-se que o passado exista como uma série definida de eventos, mas, de acordo com a física quântica, o passado, como o futuro, é indefinido e existe apenas como um espectro de possibilidades. Mesmo o universo como um todo não tem um único passado ou história. 

Esses exemplos nos levam a uma conclusão que fornece uma estrutura importante para interpretar a ciência moderna. Em nossa opinião, não há conceito de realidade independente de imagem ou teoria. Em vez disso, adotamos uma visão que chamamos de realismo dependente de modelo: a ideia de que uma teoria física ou imagem de mundo é um modelo (geralmente de natureza matemática) e um conjunto de regras que conectam os elementos do modelo às observações. De acordo com o realismo dependente do modelo, é inútil perguntar se um modelo é real, apenas se concorda com a observação. Se dois modelos concordam com a observação, nenhum deles pode ser considerado mais real que o outro. Uma pessoa pode usar qualquer modelo que seja mais conveniente na situação em consideração.

Não tente ajustar a imagem

A ideia de realidades alternativas é um dos pilares da cultura popular atual. Por exemplo, no filme de ficção científica The Matrix a raça humana vive sem saber em uma realidade virtual simulada criada por computadores inteligentes para mantê-los pacificados e satisfeitos enquanto os computadores sugam sua energia bioelétrica (seja lá o que for). Como sabemos que não somos apenas personagens gerados por computador que vivem em um mundo parecido com Matrix? Se vivêssemos em um mundo imaginário e sintético, os eventos não teriam necessariamente nenhuma lógica ou consistência ou obedeceriam a nenhuma lei. Os alienígenas no controle podem achar mais interessante ou divertido ver nossas reações, por exemplo, se todos no mundo decidissem repentinamente que o chocolate é repulsivo ou que a guerra não é uma opção, mas isso nunca aconteceu. Se os alienígenas fizessem cumprir leis consistentes, não teríamos como dizer que outra realidade estava por trás da simulada. É fácil chamar o mundo de que os alienígenas vivem no mundo “real” e o mundo gerado por computador é falso. Mas se - como nós - os seres no mundo simulado não pudessem olhar para o universo de fora, eles não teriam razão para duvidar de suas próprias imagens da realidade.

O peixe dourado está em uma situação semelhante. Sua visão não é a mesma que a nossa de fora de sua tigela curva, mas eles ainda poderiam formular leis científicas que governam o movimento dos objetos que eles observam do lado de fora. Por exemplo, como a luz se dobra à medida que se desloca do ar para a água, um objeto que se movimenta livremente e que observaríamos para se mover em linha reta seria observado pelo peixinho dourado ao longo de um caminho curvo. O peixinho dourado poderia formular leis científicas a partir de seu quadro distorcido de referência que sempre seriam verdadeiras e que lhes permitiria fazer previsões sobre o futuro movimento de objetos fora da tigela. Suas leis seriam mais complicadas do que as leis de nossa estrutura, mas a simplicidade é uma questão de gosto. Se o peixinho dourado formulasse tal teoria, teríamos de admitir a visão do peixinho como uma imagem válida da realidade.

Um famoso exemplo do mundo real de diferentes imagens da realidade é o contraste entre o modelo do cosmos centrado na Terra de Ptolomeu e o modelo centrado no sol de Copérnico. Embora não seja incomum as pessoas dizerem que Copérnico provou que Ptolomeu estava errado, isso não é verdade. Como no caso de nossa visão versus a do peixinho dourado, pode-se usar a figura como modelo do universo, porque podemos explicar nossas observações dos céus assumindo que a Terra ou o sol estão em repouso. Apesar de seu papel nos debates filosóficos sobre a natureza do nosso universo, a vantagem real do sistema copernicano é que as equações de movimento são muito mais simples no quadro de referência em que o sol está em repouso.

O realismo dependente do modelo aplica-se não apenas aos modelos científicos, mas também aos modelos mentais conscientes e subconscientes que todos criamos para interpretar e compreender o mundo cotidiano. Por exemplo, o cérebro humano processa dados brutos do nervo óptico, combinando a entrada de ambos os olhos, aumentando a resolução e preenchendo lacunas como a do ponto cego da retina. Além disso, cria a impressão de espaço tridimensional a partir dos dados bidimensionais da retina. Quando você vê uma cadeira, você apenas usou a luz espalhada pela cadeira para construir uma imagem mental ou modelo da cadeira. O cérebro é tão bom na construção de modelos que, se as pessoas são equipadas com óculos que viram as imagens de cabeça para baixo, seus cérebros mudam o modelo para que vejam as coisas da maneira correta - esperançosamente, antes de tentarem sentar.

Vislumbres da Teoria Profunda

Na busca por descobrir as leis finais da física, nenhuma abordagem suscitou maiores esperanças - ou mais controvérsias - do que a teoria das cordas. A teoria das cordas foi proposta pela primeira vez na década de 1970 como uma tentativa de unificar todas as forças da natureza em uma estrutura coerente e, em particular, para trazer a força da gravidade para o domínio da física quântica. No início dos anos 90, no entanto, os físicos descobriram que a teoria das cordas sofre de uma questão estranha: existem cinco teorias de cordas diferentes. Para aqueles que advogavam que a teoria das cordas era a única teoria de tudo, isso era um grande embaraço. Em meados da década de 1990, os pesquisadores começaram a descobrir que essas diferentes teorias - e ainda outra teoria chamada supergravidade - descrevem os mesmos fenômenos, dando-lhes alguma esperança de que acabariam por chegar a uma teoria unificada. As teorias são de fato relacionadas pelo que os físicos chamam de dualidades, que são uma espécie de dicionários matemáticos para traduzir conceitos de um lado para o outro. Mas, infelizmente, cada teoria é uma boa descrição dos fenômenos apenas sob uma certa gama de condições - por exemplo, em baixas energias. Nenhuma pode descrever todos os aspectos do Universo.

Os teóricos das cordas estão agora convencidos de que as cinco diferentes teorias das cordas são apenas aproximações diferentes de uma teoria mais fundamental chamada teoria M. (Ninguém parece saber o que significa o "M". Pode ser "mestre", "milagre" ou "mistério", ou todos os três.) As pessoas ainda estão tentando decifrar a natureza da teoria M, mas parece que a expectativa tradicional de uma teoria única da natureza pode ser insustentável e que, para descrever o Universo, devemos empregar diferentes teorias em diferentes situações. Assim, a teoria M não é uma teoria no sentido usual, mas uma rede de teorias. É um pouco como um mapa. Para representar fielmente toda a Terra em uma superfície plana, é preciso usar uma coleção de mapas, cada um deles abrangendo uma região limitada. Os mapas se sobrepõem e, quando aparecem, mostram a mesma paisagem. Similarmente,

Sempre que desenvolvemos um modelo do mundo e o consideramos bem-sucedido, tendemos a atribuir ao modelo a qualidade da realidade ou a verdade absoluta. Mas a teoria M, como o exemplo do peixe dourado, mostra que a mesma situação física pode ser modelada de maneiras diferentes, cada uma empregando diferentes elementos e conceitos fundamentais. Pode ser que, para descrever o Universo, tenhamos que empregar diferentes teorias em diferentes situações. Cada teoria pode ter sua própria versão da realidade, mas, de acordo com o realismo dependente de modelo, essa diversidade é aceitável, e nenhuma das versões pode ser considerada mais real do que qualquer outra. Não é a expectativa tradicional do físico por uma teoria da natureza, nem corresponde à nossa ideia cotidiana de realidade. Mas pode ser o caminho do Universo.

Este artigo foi originalmente publicado com o título "The Elusive Theory of Everything" 
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