Qual é a menor coisa que existe no Universo? 26/07/2013

A física tem um problema com as coisas pequenas. Ou, para ser mais preciso, com as coisas infinitamente pequenas. Artigo de Andy Parker, professor de Física de Altas Energias.

Artigo | 26 Julho, 2013 - 23:00

Cientistas acreditam que o superlaser ELI será suficiente para tornais reais as partículas virtuais. [Imagem: ELI]

Nós imaginamos que podemos mover-nos qualquer distância que queiramos, não importando quão pequena ela seja.
Esta perceção foi explorada por Zenão num dos seus famosos paradoxos. Aquiles nunca poderia realmente chegar a qualquer lugar já que a distância que ele teria que cobrir seria reduzida à metade um número infinito de vezes - na metade do caminho, então a meio caminho de novo, e assim por diante. Ele teria que dar um número infinito de passos cada vez menores para alcançar seu objetivo.
Os matemáticos têm explicado esse aparente paradoxo, e eles ficam totalmente confortáveis com números infinitos, bem como com as distâncias e objetos infinitamente pequenos. As respostas a que eles chegam são usadas na física para descrever o mundo interior do átomo.
Mas a natureza não parece sentir-se tão confortável com isso.
Quando tentamos descrever algo como um "ponto" - um objeto infinitamente pequeno - então surgem alguns dos problemas mais difíceis em física.
Como toda a física de partículas se baseia em partículas do "tipo ponto", reagindo às forças em espaços minúsculos, pode-se perceber que os problemas surgem muito rapidamente.
Esses problemas aparecem sob a forma de respostas sem sentido quando as equações são usadas para as distâncias muito pequenas.
Desta forma, os físicos estão cada vez mais desconfiados dos pontos, e se se perguntar se de facto a natureza tem um limite para o menor objeto possível, ou mesmo se há um menor espaço possível.
Bonecas russas
A busca pelos menores blocos de construção da Natureza provavelmente remonta ao primeiro homem das cavernas que tentava fazer uma borda afiada numa pedra.
Os gregos deram-nos o conceito de átomos como bolas de bilhar que se unem para formar os materiais que vemos, e essa imagem continua na mente da maioria dos povos.
Há mais de um século, J.J. Thomson conseguiu extrair eletrões de átomos, e ele foi seguido em 1932 por Cockcroft e Walton, que separaram o núcleo atómico com um acelerador de partículas primitivo, mas inteligentemente concebido.
Estes acabaram por se mostrar serem apenas as primeiras bonecas russas.
Experiências sucessivas, usando aceleradores mais e mais potentes, revelaram que o núcleo era composto de protões e neutrões, que por sua vez eram feitos de quarks.
Os sinais do bosão de Higgs gerados recentemente no LHC tornaram-se a mais recente das bonecas russas.
Mas todas as tentativas para dividir quarks ou eletrões, mesmo usando o incrível poder do LHC, falharam.
Incomodamente, os chamados blocos básicos de construção da natureza parecem ser pontos - certamente menores do que 0,0000000000000000001 metro de diâmetro.
Rumo ao infinito
A ignorância quântica estabelece que conhecer as partes não garante o conhecimento do todo. [Imagem: Vidick et al.]
Pode-se ver onde o problema surge. Todas as forças da natureza ficam mais fortes conforme as distâncias encurtam.
A famosa "lei do inverso do quadrado" da gravidade, de Newton, por exemplo, diz que a força da gravidade fica quatro vezes mais forte se você reduzir pela metade a sua distância de um objeto.
Se imaginarmos partículas como sendo pontos, você pode fazer a distância entre duas delas tão pequena quanto queira, de forma que a força se torna infinita. Em última instância, isso iria quebrar o tecido do espaço, criando uma espuma de buracos negros, o que certamente faria Aquiles progredir ainda mais lentamente.
Os físicos normalmente conseguem contornar este problema usando a imprecisão contida na mecânica quântica, que permite que a matéria se comporte como partículas ou como ondas.
Você também pode ter ouvido falar do Princípio da Incerteza de Heisenberg, que não nos permite saber exatamente onde alguma coisa está. Assim, mesmo que uma partícula possa ser um ponto, a sua localização é incerta, e ela aparece nas equações como uma bola nebulosa - problema resolvido!
Descasamento problemático

Alguns físicos propõem que o LHC pode se tornar a primeira máquina do tempo do mundo. [Imagem: Jenni Ohnstad / Vanderbilt]
Bem, quase. Nós realmente não sabemos como aplicar a mecânica quântica à gravidade, e por isso ainda ficamos às voltas com previsões absurdas, como o colapso total do espaço se tentarmos descrever campos gravitacionais fortes, como os que estão dentro dos buracos negros.
Acontece que a mecânica quântica e a teoria da gravidade de Einstein não se misturam.
Várias soluções engenhosas têm sido propostas para este problema.
A mais óbvia é que há uma outra boneca russa, e as menores partículas são pequenas bolas de bilhar. Se for assim, um dia, talvez usando o LHC, veremos o tamanho dos menores objetos que podem existir.
Mas os físicos teóricos preferem a ideia de que as partículas não são de facto redondas, mas pequenas "cordas", parecidas com pedaços de elástico.
Elas teriam um comprimento finito, mas uma largura infinitamente pequena. Isso resolve o problema, já que você nunca pode estar à mesma distância de toda a corda - é por isso que a ideia é chamada de Teoria das Cordas.
Cordas podem vibrar, e isso nos permite explicar todas as estranhas partículas fundamentais que vemos como sendo diferentes vibrações das cordas - diferentes notas de um violino cósmico.
Parece simples, mas para explicar as partículas que conhecemos, as cordas precisam vibrar de muitas maneiras diferentes.
A Teoria das Supercordas permite que elas vibrem num bizarro espaço com 11 dimensões - para cima, para baixo, para os lados, "transversalmente" e de 7 outras maneiras!
Experiências no LHC estão a procurar sinais de que você possa se mover "transversalmente". Se pudermos, poderia haver universos inteiros, tão grandes e maravilhosos como o nosso, bem ali na rua "transversal".
Questões de espaço e de tempo

Recentemente, físicos bateram o recorde mundial do menor tempo já medido. [Imagem: Koke et al./Nature Photonics]
Podemos ir mais longe ainda - talvez não devamos procurar pelo menor objeto, mas pela menor distância.
Se o espaço for composto por um monte de grânulos pequenos, então o problema pode ser resolvido desde que duas partículas não possam ficar mais perto uma da outra do que o tamanho de um grânulo.
Isso equivale a Aquiles podendo mover-se ao longo de uma série de passos pequenos, mas finitos.
Olhando para as partículas que viajam distâncias enormes em todo o cosmos, podemos esperar ver o efeito acumulado de impactos sobre inúmeros pequenos grãos, e não o deslizar tranquilo através do espaço liso que se imagina.
No final, as respostas serão encontradas nas experiências, não nas nossas imaginações.
Talvez a coisa mais incrível que descobrimos seja o método científico, que nos permite colocar e responder a questões como "Qual pequeno é o Universo?".
Nada mal para homens das cavernas ligeiramente evoluídos.
Artigo de Andy Parker, Professor de Física de Altas Energias na Universidade de Cambridge, publicado pela BBC e disponível em português no site Inovação Tecnológica