As Ciências e o Futuro: Se nada nos permite dizer que é um erro, é um fracasso incontestável: durante mais de trinta anos e até ao fim da sua vida, Albert Einstein tentou unificar, em vão, as grandes forças do Universo. Esse objetivo ainda é buscado pelos físicos?
Jean-Pierre Luminet: Esta busca não perdeu nada de sua força. Há também muito mais investigadores, em comparação com a época de Einstein, que actualmente se esforçam por encontrar uma teoria unitária – por vezes também chamada de “teoria de tudo” – que abrangeria todos os aspectos da física num punhado de equações. A abordagem deles certamente não é exatamente a mesma.
Quando Einstein se comprometeu, no início da década de 1920, a unificar as forças da física, só conhecíamos duas: por um lado, o eletromagnetismo, que reúne todos os fenómenos elétricos, magnéticos e luminosos; e, por outro lado, a gravitação, que explica a queda dos corpos, das marés ou das órbitas dos planetas, descrita desde 1915 com notável eficiência pela sua teoria da relatividade geral. Mas duas outras interações de curtíssimo alcance foram descobertas e teorizadas aos poucos entre a década de 1930 e o início da década de 1970.
Quais são essas interações?
São elas a força nuclear forte, que garante a coesão dos núcleos atômicos, portanto a própria existência da matéria, e a força nuclear fraca, que provoca o decaimento radioativo das partículas subatômicas e permite que as estrelas brilhem. Contudo, entre estas quatro interações fundamentais, três (as forças eletromagnéticas, forte e fraca) podem ser explicadas por trocas de partículas – o fóton, por exemplo – entre os componentes elementares da matéria. Eles são governados em escala microscópica pelas leis da mecânica quântica, tudo resultando em um modelo padrão de física de partículas que funciona maravilhosamente bem… sem, no entanto, lidar com a interação gravitacional.
Apesar dos esforços de várias gerações de investigadores, uma descrição quântica da gravitação permanece indefinida, assim como um modelo unificado que reúna todas as interações conhecidas. Dependendo se estudam fenômenos em pequena ou grande escala, os cientistas aplicam a mecânica quântica ou a relatividade geral. Uma atitude “esquizofrênica”, que intriga e insatisfaz a maioria dos teóricos.
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O que levou Einstein a unificar a gravitação e o eletromagnetismo?
Essa abordagem unificadora sempre esteve no centro de sua pesquisa. Em 1905, a relatividade especial já conseguiu combinar o princípio da relatividade de Galileu, que unifica as noções de repouso e movimento retilíneo uniforme, com o eletromagnetismo e a invariância da velocidade da luz. Uma teoria que levará a reunir no seu sentido mais estrito os conceitos de espaço e tempo.
Depois, em 1915, com a relatividade geral, Einstein estendeu esta cinemática aos movimentos acelerados e à gravitação, descrevendo-a não como uma força que actua sobre um espaço fixo de fundo, mas como uma curvatura local do espaço-tempo, cujo valor se modifica em cada ponto quando a matéria se move.
Foi, portanto, lógico que Einstein posteriormente procurasse integrar o eletromagnetismo nesta nova estrutura. A história da física demonstrou repetidamente que a unificação de teorias aparentemente díspares constitui uma forma natural de progressão do conhecimento.
“Não faltam candidatos para realizar o sonho não realizado de Einstein!”
Quem desenvolveu as primeiras teorias unitárias?
A primeira tentativa foi feita pelo matemático alemão Hermann Weyl. Em 1918, ele se comprometeu a modificar o espaço-tempo da relatividade geral para incorporar o eletromagnetismo. Sua estrutura permaneceu curva, mas os comprimentos também podiam variar localmente de acordo com a chamada transformação de calibre. Esta operação envolveu um novo objeto matemático, neste caso um vetor, que segundo Hermann Weyl representaria o campo eletromagnético.
No ano seguinte, o austríaco Theodor Kaluza propôs uma solução extraordinariamente ousada. Postulou a existência de uma dimensão adicional às quatro a que estamos habituados – três de espaço e uma de tempo – tornando possível a integração das equações de Maxwell. As partículas carregadas se moveriam nesta nova dimensão espacial, enquanto nós, humanos, só perceberíamos a projeção desses movimentos no espaço-tempo quadridimensional! Em 1926, o sueco Oskar Klein explicou por que esta quinta dimensão permanecia invisível: não seria retilínea, mas enrolada sobre si mesma para formar um círculo. Em uma escala extremamente pequena, muito menor que um átomo.
O que Einstein pensou?
Ele inicialmente ficou intrigado e seduzido por essas abordagens, notadamente pela teoria de Theodor Kaluza. Mas ele então passou a criticá-lo, lamentando em particular que não levasse em conta todas as partículas da matéria.
Que caminhos ele próprio explorou?
Depois de desenvolver a relatividade geral, Einstein quis cada vez mais reduzir tudo à geometria. E convenceu-se de que todas as leis da física surgiriam de uma única estrutura geométrica fundamental. Para unificar a gravitação e o eletromagnetismo, ele se esforçou para extrapolar e complexificar o espaço-tempo da relatividade geral, explorando uma variedade de construções matemáticas.
No final da década de 1920, ele desenvolveu uma estrutura espaço-temporal baseada não mais na noção de curvatura, mas de torção. Nesta teoria chamada “gravidade teleparalela”, a torção tornou-se a fonte geométrica da gravitação, enquanto certos componentes do campo de torção correspondiam ao campo eletromagnético. A partir da década de 1930, Einstein adotou outra estratégia. Ele modificou a métrica da relatividade geral – que define distâncias e ângulos – para adicionar uma série de espaços simétricos e antissimétricos: alguns para descrever a gravitação, outros para o eletromagnetismo.
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Então todas essas tentativas falharam?
Einstein sonhava em descobrir uma teoria de campo unificado. Conhecendo a sua força de carácter e a sua mente verdadeiramente abstracta, não é de estranhar que tenha perseguido este objectivo até ao fim. Mas nenhuma de suas tentativas teve sucesso. Alguns eram insatisfatórios do ponto de vista físico ou matemático, outros não conseguiram prever ou explicar observações como a carga do elétron.
Nas suas teorias unitárias, Einstein também adoptou uma abordagem “clássica”: não teve directamente em conta a mecânica quântica que, no entanto, registou um sucesso cada vez maior. Finalmente, embora as forças nucleares fortes e fracas tenham começado a ser destacadas na década de 1930, ele nunca quis integrá-las nos seus modelos de unificação.
Qual é atualmente a teoria mais popular para unificar as forças da física?
É sem dúvida a teoria das cordas, delineada a partir da década de 1960 pelo físico italiano Gabriele Veneziano, mas desenvolvida especialmente nas décadas de 1980 e 1990 – um período de grande entusiasmo quanto à possibilidade de reunir no mesmo quadro todas as interações fundamentais, incluindo uma descrição quântica da gravitação. Esta teoria consegue isso considerando as partículas elementares não mais como objetos pontuais, mas como cordas vibratórias infinitesimais. Porém, na tradição de Theodor Kaluza, requer dimensões adicionais compactadas e dobradas sobre si mesmas… seis ou até sete em número, elevando o número total de dimensões para dez ou 11!
Apesar da sua posição dominante e das centenas de investigadores que trabalharam nela durante cerca de quarenta anos, esta teoria enfrenta uma série de problemas. Em particular, apresenta milhares de milhões de milhares de milhões de versões possíveis – e, portanto, tantos modelos de universo – sem explicar quais devem ser escolhidos. Implica também a existência de novas partículas, chamadas supersimétricas, que deveriam ter sido descobertas há dez anos no LHC, o acelerador de partículas do Cern, perto de Genebra. No entanto, ele não detectou nenhum vestígio disso.
Existem outras teorias quânticas da gravidade?
Seu grande rival é a gravidade quântica em loop, desenvolvida no final da década de 1980 por vários físicos, incluindo o italiano Carlo Rovelli. Está muito mais de acordo com a filosofia do trabalho de Einstein, que queria geometrizar tudo. Para quantificar a gravitação, esta teoria procura de facto quantificar o próprio espaço e tempo, assumindo que a textura do espaço-tempo não é suave e contínua, mas granular. Cada “grão” elementar do espaço é assim representado por um loop infinitesimal e o espaço por uma rede descontínua de nós interagindo e evoluindo por pequenos saltos temporais!
Mas existem outras teorias, como a gravidade emergente, a gravidade assintótica de segurança ou mesmo a geometria não comutativa do francês Alain Connes – talvez a minha favorita – onde o espaço se torna, por assim dizer, “embaçado” numa escala muito pequena. Vemos: não faltam candidatos para realizar o sonho não realizado de Einstein! Por mais fascinantes que sejam estas construções intelectuais, todas elas enfrentam, no entanto, o problema da verificação experimental. E embora esta busca visasse originalmente a unificação da física, temos a sensação de que ela produziu, nesta fase, uma grande dispersão de conceitos e ideias.
Será que não existe uma teoria de tudo?
Esta expressão tem algo de ingênuo ou muito pretensioso. Se um dia os teóricos conseguirem reunir as quatro forças da física num mesmo formalismo, isso não dirá tudo sobre o Universo, nem responderá a todas as questões da humanidade. Porque as diferentes camadas da realidade estão profundamente interligadas e um fenómeno físico, seja ele qual for, nunca pode ser descrito de forma absolutamente completa.
Dito isto, não é impossível que a teoria unitária procurada por Einstein e por tantos físicos simplesmente não exista. Têm certamente boas razões para prosseguir esta busca, mas as desilusões e os becos sem saída da teoria das cordas e de outros concorrentes suscitaram dúvidas. Não se pode excluir que a gravitação seja uma manifestação da natureza completamente independente das outras três forças fundamentais. E não a emanação de uma teoria unificada de ordem superior, cuja busca corresponderia a um desejo fantasioso dos físicos.