Fronteiras da Física: A Busca pela Unificação da Física parte 3

O mundo da mecânica quântica é um tanto quanto diferente do que estamos acostumados a ver. Nós simplesmente não temos uma experiência real com o mundo atômico, e parece que nesse pequeno mundo, a realidade é bem diferente, uma realidade governada por outras leis da física. A visão que se tinha da estrutura atômica era semelhante à de um pequeno sistema solar. O núcleo atômico seria o Sol, enquanto os elétrons seriam planetas. Mas a verdade é que os elétrons não giram em torno do núcleo como planetas, pelo contrario, eles contornam o núcleo de varias formas.

A física de Newton nos diz que devido à gravidade, todos os planetas um dia cairão no Sol. Devido ao eletromagnetismo, os elétrons (carga negativa) deveriam ser atraídos pelo núcleo atômico (carga positiva) e iriam se chocar contra ele. Mas não é isso que acontece. O que pode ocorrer é o elétron ganhar energia e saltar para uma órbita mais afastada do núcleo, e ao perder energia, em forma de fótons, o elétron volta ao seu estado inicial. É dessa maneira que os corpos emitem luz. Os elétrons estão presos em órbitas, níveis de energia, e esse modelo foi descrito por Niels Bohr.

Ate agora, vimos que a natureza seguia duas grandes forças: a força da gravidade e a força eletromagnética. Mas devia existir mais alguma força oculta, pois as observações mostravam isso. O que sabemos do núcleo atômico é que o mesmo é formado por prótons e nêutrons, mas os nêutrons não têm carga elétrica e por essa razão os prótons deveriam se soltar do núcleo. Foi então que uma nova força foi descoberta, a força forte. Essa era a força que mantinha os prótons coesos ao núcleo. Mas não parou por aí, pois uma nova força viria a ser descoberta. A força forte agia sobre partículas chamadas glúons e essas por sua vez agiam sobre o núcleo atômico, mas algo de interessante ocorria com o átomo. O que acontecia é que nêutrons transformavam-se em prótons e liberavam energia. Essa era a força fraca. O universo apresentava, agora, quatro forças fundamentais: a força da gravidade, que nos mantém no chão e mantém os planetas em suas órbitas; a força eletromagnética, que é responsável pela repulsão de partículas de cargas iguais; a força nuclear forte, que mantém o núcleo atômico coeso e por fim a força fraca, responsável pelo decaimento das partículas.

A verdade é que agora, Einstein teria de encontrar uma forma de explicar, também, a força forte, se quisesse ter uma teoria de tudo (acho que ele nem sabia da existência da força fraca). Mas havia um porém; a teoria quântica não agradava Einstein. Uma das razões é que a mecânica quântica violou alguns princípios da relatividade e outra razão é devido ao enunciado de Heisenberg, o principio da incerteza. Esse enunciado, de 1927, diz que não podemos efetuar medidas simultâneas em uma classe de pares observáveis. Em outras palavras, não podemos determinar a posição e a velocidade de uma partícula ao mesmo tempo. Para observar uma partícula é preciso iluminá-la com radiação, mas essa radiação deve ter um valor mínimo que é dado pela constante de Planck. Quando iluminamos uma partícula, damos a ela energia e por essa razão interferimos em sua velocidade. Quanto mais quisermos observar a partícula, mais luz teremos que jogar sobre ela e conseqüentemente aumentaremos sua velocidade. Se fixarmos a posição de uma partícula em um determinado momento, desconheceremos sua velocidade e vice e versa.

Einstein não acreditava que a natureza se comportaria dessa forma, e para atacar a teoria quântica ele pronunciou sua famosa frase: “Deus não joga dados com o universo!”. Mas a realidade é que o universo é probabilístico, e Deus pode sim jogar dados. Imagine um jogo de roleta. Depois de muitas rodadas você percebe que a bolinha parou mais vezes nas casas vermelhas do que nas pretas, e isso o levara a apostar mais vezes nas casas vermelhas, porem você não saberá em que numero apostar. Na mecânica quântica é preciso fazer a medição para se ter realmente certeza do resultado, antes disso temos apenas possibilidades. Mas mesmo quando um resultado é obtido os outros não devem ser ignorados. Afinal resultados diferentes podem ocorrer em universos diferentes!

Não se assuste com essa idéia.

Erwin Schrödinger fez um experimento mental para nos mostrar que a incerteza existe até que a medição seja feita. Esse experimento ficou conhecido como o gato de Schrödinger. Em uma caixa totalmente lacrada temos um gato, um núcleo radioativo, um frasco com gás venenoso e um dispositivo que poderá romper o frasco. Se o núcleo decair uma partícula será liberada e irá acionar o dispositivo, rompendo o frasco e matando o gato. Se o núcleo não decair o gato continuará vivo. Para observar o estado do gato é preciso fazer a medição quântica. Enquanto a caixa estiver fechada não haverá um gato vivo ou morto, mas sim uma onda, ou dois estados possíveis do mesmo gato. Em um universo, o gato está vivo, em outro ele está morto e quem sabe em outro universo o gato pode nem estar dentro da caixa!

Schrödinger também montou uma equação para determinar a função de onda de uma partícula. A função de onda é um estado no qual uma partícula pode ser encontrada, já que não é possível descrever ao mesmo tempo sua posição e sua velocidade. Em outras palavras, a função de onda é uma possibilidade de uma partícula ser encontrada em um determinado estado.

Toda essa estranheza não chamou a atenção de Einstein, que queria o fim da teoria quântica. Albert Einstein dedicou-se, solitariamente, a encontrar uma teoria que explicasse todas as coisas do universo. Porem seu tempo acabou e ele morreu sem completar sua tão sonhada teoria. Foi uma grande perda para o mundo da ciência, e não apenas para a ciência. O sonho de Einstein parecia estar perdido para sempre! Mas, e a teoria quântica?

O mundo atômico havia se mostrado muito, mas muito estranho. Partículas que são ondas, ondas que são partículas, gatos que estão vivos e mortos ao mesmo tempo e até mesmo elétrons habitando dois lugares diferentes ao mesmo tempo. A teoria quântica descrevia três das quatro forças fundamentais, enquanto a gravidade era descrita através da relatividade geral. Era preciso uma nova teoria, uma teoria que descreveria a força gravitacional em escalas atômicas. Em outras palavras, era preciso criar uma gravidade quântica!

Era difícil, e ainda é difícil, para os físicos aceitarem a idéia de que o universo segue a duas teorias completamente diferentes. Algo precisava ser feito.

A estrutura atômica começou a ser melhor compreendida e novas partículas foram surgindo. Desde Rutherford, o átomo era constituído de elétrons, prótons e nêutrons, mas com as descobertas das forças nucleares os estudos avançaram e novas partículas, como glúon e o bóson W+, foram surgindo, além de muitas outras partículas que apareciam em experimentos de laboratório. As forças nucleares foram vistas como causadas por partículas. De acordo com a teoria quântica as forças surgem da troca de partículas portadoras de força. Quanto mais partículas são liberadas ou quanto maior as suas velocidades, maior será a força. Resumindo, de um tempo pra outro houve uma explosão de partículas.

Talvez tenha sido por acaso, ou não, que um jovem físico italiano chamado Gabriele Veneziano viera a encontrar uma equação que mudaria o rumo das coisas. Enquanto pesquisava em livros antigos de física uma formula que descrevesse a força forte, o jovem físico se deparou com um livro sobre a historia da matemática. Nesse livro ele encontrou uma formula de mais de 200 anos que havia sido montada por um matemático, Leonhard Euler. O que impressionou Veneziano é que a formula de Euler parecia descrever a força forte! Essa equação acabou chegando aos olhos de outro físico, Leonard Susskin.

Susskin meditou sobre a formula de Euler e passou a refazer seus cálculos, mudando algumas coisas. Foi quando ele percebeu que a formula demonstrava que a estrutura interna da matéria parecia vibrar como cordas. Estava nascendo à teoria que seria vista por muitos como a teoria inacabada de Einstein. Depois de sua descoberta, Susskin escreveu para outros físicos relatando o ocorrido, porem toda a matéria era descrita através do modelo padrão, partículas puntiformes onde não havia espaço para cordas ou algo do tipo. Embora pudessem ser belas, as cordas que a formulas de Euler mostrava foram deixadas de lado. Porem o modelo padrão tinha um problema: não conseguia explicar a força da gravidade.