• Começa com um estrondo

A física teórica está quebrada? Ou é apenas difícil?

Quando você não tem pistas suficientes para encerrar sua história de detetive, deve esperar que seus palpites estejam todos errados.

Principais conclusões

• Nossa compreensão do Universo, em um nível fundamental e em escalas cósmicas, é notavelmente bem-sucedida tanto na descrição do que vemos quanto na previsão do que observaremos a seguir.
• Esse sucesso é uma faca de dois gumes: quase todas as observações e experimentos concordam com nossas teorias estabelecidas. Novos dados que vão além de nossas expectativas são extremamente raros.
• Com tão poucas pistas, não é de admirar que os teóricos estejam simplesmente adivinhando, e adivinhando errado nisso. Isso não é uma falha da física teórica; é evidência de que esses problemas são simplesmente muito difíceis.

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Toda a física teórica moderna é inútil? Se você ouvir um físico de alta energia desiludido , você pode concluir que sim. Afinal, o século 20 foi um século de triunfos teóricos: fomos capazes, em escalas subatômicas e cósmicas, de finalmente dar sentido ao Universo que nos cercava e compreendia. Descobrimos quais eram as forças e interações fundamentais que governavam a física, quais eram os constituintes fundamentais da matéria, como eles se reuniam para formar o mundo que observamos e habitamos e como prever quais seriam os resultados de qualquer experimento realizado com esses quanta.

Combinados, o Modelo Padrão de partículas elementares e o modelo padrão de cosmologia representam a culminação da física do século XX. Embora experimentos e observações tenham revelado uma série de quebra-cabeças até então não resolvidos – quebra-cabeças como matéria escura, energia escura, inflação cósmica, bariogênese, neutrinos massivos, o problema do PC forte e muitos outros – os teóricos falharam em fazer progressos significativos em todas essas questões nos últimos 25 anos.

Todos eles simplesmente estavam perdendo seu tempo?

Essa é uma acusação injusta. É fácil criticar, mas as sugestões sobre o que eles deveriam fazer são ainda piores. Aqui está uma visão mais justa da situação.

Este gráfico de partículas e interações detalha como as partículas do Modelo Padrão interagem de acordo com as três forças fundamentais que a Teoria Quântica de Campos descreve. Quando a gravidade é adicionada à mistura, obtemos o Universo observável que vemos, com as leis, parâmetros e constantes que sabemos que o governam. Mistérios, como matéria escura e energia escura, ainda permanecem.

É verdade que, no século 20, houve uma série de avanços teóricos que levaram a previsões significativas que foram posteriormente verificadas. Alguns deles incluem:

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• a previsão de pósitrons: a contraparte de antimatéria de elétrons,
• a previsão do neutrino: uma partícula subatômica, portadora de energia e momento, participando de reações nucleares,
• a previsão de quarks como constituintes do próton e nêutron,
• a previsão de “gerações” adicionais de quarks e léptons,
• a estrutura do Modelo Padrão, com a força nuclear forte, a força nuclear fraca e a força eletromagnética,
• a previsão da unificação eletrofraca e o bóson de Higgs,
• a previsão de o Big Bang e o fundo cósmico em micro-ondas ,
• a previsão da inflação cósmica e as imperfeições no fundo cósmico de microondas,
• e a previsão da matéria escura fria e suas implicações para a formação de estruturas em grande escala no Universo.

Esses sucessos notáveis ​​levaram à nossa imagem padrão do Universo hoje: uma imagem que, em sua essência, consiste em o Modelo Padrão de partículas elementares e da Relatividade Geral que governa a força gravitacional .

As observações em maior escala no Universo, desde o fundo cósmico de micro-ondas até a teia cósmica, aglomerados de galáxias e galáxias individuais, todas requerem matéria escura para explicar o que observamos. Tanto nos primeiros quanto nos últimos tempos, é necessária a mesma proporção de 5 para 1 de matéria escura para matéria normal.

Por outro lado, a física não terminou com essas descobertas ou com esse quadro, que existe – mais ou menos – desde o início dos anos 1980. Claro, detalhes da inflação cósmica, a natureza massiva dos neutrinos e a existência de energia escura foram revelados desde então: um triunfo talvez de natureza mais modesta.

Mas o que o trabalho recente em física teórica nos deu sobre esse quadro padrão?

• Supersimetria, cujas partículas parecem não existir.
• Dimensões extras, cujas previsões não aparecem em nossos experimentos ou observações.
• Grande unificação , que não tem provas que comprovem a sua existência.
• A teoria das cordas, que não nos deu uma única previsão testável.
• Modificações na gravidade, que adicionam parâmetros adicionais, mas falharam em criar uma imagem consistente que substitui a Relatividade Geral.
• Modificações na matéria escura fria e sem colisões, que, novamente, adicionam parâmetros adicionais que são totalmente desnecessários, falhando em substituir os modelos mais simples de matéria escura fria.
• E modificações na imagem mais simples de energia escura (constante), que mais uma vez adicionam parâmetros adicionais, mas não têm nada a oferecer acima e além do modelo mais simples de energia escura.

Há todos os tipos de maneiras pelas quais as pessoas tentaram quebrar e dobrar as leis existentes da física nas últimas décadas, e nenhuma delas faz um trabalho melhor em explicar o que observamos e medimos do que a imagem padrão sem modificações adicionais. .

Os destinos distantes do Universo oferecem uma série de possibilidades, mas se a energia escura for realmente uma constante, como os dados indicam, ela continuará seguindo a curva vermelha, levando ao cenário de longo prazo frequentemente descrito em Starts With A Bang : da eventual morte térmica do Universo. Se a energia escura evolui com o tempo, um Big Rip ou um Big Crunch ainda são admissíveis, mas não temos nenhuma evidência indicando que essa evolução seja mais do que especulação ociosa.

Não é assim que se parece o “fracasso”.

É assim que a física teórica se parece – e como pelo menos uma parte da física teórica sempre foi – quando temos dados insuficientes para nos apontar na direção certa sobre o que está além da imagem consensual da realidade atualmente aceita.

É fácil voltar ao século 20 e apontar para os sucessos e dizer: “veja como fomos bons em prever o que viria a seguir!” Claro, mas pode-se facilmente voltar ao século 20 e escolher qualquer uma das conjecturas muito mais numerosas que acabaram por não descrever muito bem nossa realidade. Acontece que todos nós temos uma memória seletiva quando olhamos para trás em nossos triunfos; ignoramos todas as tentativas que não deram certo.

• Lembramos do modelo quark, não do modelo Sakata.
• Lembramos da Relatividade Geral, não das modificações de Newcomb e Hall nas leis de Newton.
• Lembramos da cromodinâmica quântica, não da abordagem “adivinhar a matriz S”.
• Lembramos do nêutron, não da ideia de que havia estados ligados próton-elétron dentro do núcleo.
• Lembramos do modelo Higgs, não dos modelos tecnicolor.
• Lembramos do Universo em expansão, não da teoria da luz cansada.
• Lembramos do Big Bang, não do modelo de estado estacionário.
• Lembramos da inflação cósmica, não de uma velocidade variável da luz.

Esse é o primeiro problema com a ideia de que “os teóricos estão todos errados”: quando crescemos, cientificamente, damos como certo o que foi alcançado no passado, mas não como chegamos lá, nem os erros ao longo do caminho.

As principais galáxias do Quinteto de Stephan, conforme revelado pelo JWST em 12 de julho de 2022. A galáxia à esquerda está apenas cerca de 15% tão distante quanto as outras galáxias, e as galáxias de fundo estão muitas dezenas de vezes mais distantes. E, no entanto, todos são igualmente nítidos, demonstrando que a hipótese da luz cansada, que prevê o aumento do “embaçamento” com o aumento do desvio para o vermelho, não tem mérito.

O segundo problema é este: os teóricos não têm expectativa de saber o que vem a seguir quando os dados experimentais e observacionais que possuímos são insuficientes para iluminar o caminho. Durante o século 20, dados revolucionários chegaram a um ritmo alarmante, à medida que novos experimentos de física de partículas foram realizados em energias mais altas, com melhores estatísticas e em novos ambientes, como acima da atmosfera da Terra. Da mesma forma, na astronomia, aberturas maiores, avanços na fotografia e espectroscopia, o desenvolvimento da astronomia de vários comprimentos de onda além do espectro de luz visível e os primeiros telescópios espaciais trouxeram novos dados observacionais que derrubaram muitas ideias pré-existentes.

• Um “primo” mais pesado do elétron, o múon, foi revelado pela primeira vez por experimentos em balões que nos permitiram detectar sua presença entre os raios cósmicos.
• Experimentos de espalhamento inelástico profundo – ou seja, colisões de alta energia entre partículas com medições precisas dos estilhaços de partículas que saem – revelaram que o próton e o nêutron eram partículas compostas, mas o elétron não era.
• Reatores nucleares, onde elementos pesados ​​foram transmutados em mais leves, liberaram antineutrinos que poderiam ser absorvidos por núcleos atômicos fora do reator, levando à sua descoberta.

O neutrino foi proposto pela primeira vez em 1930, mas não foi detectado até 1956, a partir de reatores nucleares. Nos anos e décadas seguintes, detectamos neutrinos do Sol, de raios cósmicos e até de supernovas. Aqui, vemos a construção do tanque usado no experimento de neutrinos solares na mina de ouro Homestake da década de 1960. Essa técnica, de construir observatórios de neutrinos no subsolo, tem sido uma marca registrada dos experimentos de física de partículas por mais de 60 anos.

Em outras palavras, a razão pela qual a física teórica foi tão bem sucedida no século 20 é esta:

Experimentos, medições e observações eventualmente chegaram ao ponto em que os dados que estávamos coletando apontavam o caminho a seguir, onde ideias concorrentes para o que poderia vir a seguir poderiam ser testadas umas contra as outras e conclusões significativas e informativas poderiam ser tiradas.

Se você não ultrapassar as fronteiras de onde você está olhando para um território inexplorado - exemplos dos quais incluem dados melhores e mais limpos, estatísticas maiores, energias mais altas, precisões maiores, escalas de distância menores, etc. - você não será capaz de encontrar qualquer coisa nova.

1. Às vezes, você entra em território inexplorado e não encontra nada de novo; isso indica que as teorias atualmente predominantes são válidas em um intervalo maior do que você sabia que seriam.
2. Às vezes você entra em território inexplorado e encontra algo novo: algo que você antecipou pode estar lá. Uma nova ideia (ou conjunto de ideias) de repente é muito mais interessante do que antes, pois agora tem o melhor tipo de suporte por trás delas: dados experimentais/observacionais.
3. Às vezes, você entra em território inexplorado e não apenas encontra algo novo, mas encontra algo novo que não havia previsto antes. Isso é o espírito por trás do ditado , 'a frase mais emocionante na ciência não é 'Eureka!', mas sim 'Isso é engraçado''.
4. E, às vezes, você quer investir em território inexplorado, mas a falta de financiamento, imaginação ou ambos o impede de fazê-lo.

A ideia de um colisor linear de léptons tem sido cogitada na comunidade de física de partículas como a máquina ideal para explorar a física pós-LHC por muitas décadas, mas apenas se o LHC fizer uma descoberta além do Modelo Padrão. A confirmação direta de quais novas partículas podem estar causando a discrepância observada do CDF na massa do bóson W pode ser uma tarefa mais adequada para um futuro colisor circular, que pode atingir energias mais altas do que um colisor linear jamais poderia. Mas sem novos experimentos para impulsionar o campo, os teóricos não têm orientação suficiente para descobrir os grandes problemas não resolvidos de hoje.

Sem novos experimentos ou observações para nos guiar, tudo o que podemos fazer é buscar ideias de nossa própria invenção que não entrem em conflito com os dados existentes que já possuímos. Isso normalmente envolve uma abordagem conservadora: tentamos adicionar um novo parâmetro, uma nova partícula, uma nova interação, substituir uma constante por uma variável, violar (levemente) uma lei de conservação, quebrar (levemente) uma simetria, etc. Explorar as consequências de fazer qualquer uma dessas coisas permite que você saiba onde está o limite teórico de nossa margem de manobra: entre o que permanece possível e o que já está descartado.

Não podemos alterar muito as coisas, ou a nova ideia chegará já descartada por dados antigos. Também não podemos simplesmente inserir muitos novos parâmetros sem motivação suficiente, ou complicaremos desnecessariamente as coisas sem obter uma visão substancial do que é capaz de ser restringido. (A abordagem “por que não os dois?”, ao considerar duas opções teóricas especulativas, sempre sucumbe a essa armadilha.) perseguir e ridicularizar tal abordagem é completamente justificado.

Os áxions, um dos principais candidatos à matéria escura, podem ser convertidos em fótons (e vice-versa) sob as condições certas. Se pudermos causar e controlar sua conversão, poderemos descobrir nossa primeira partícula além do Modelo Padrão e possivelmente resolver os problemas de matéria escura e CP forte também. Isso implicaria que vivemos em um universo com forte violação de CP, mas apenas uma pequena quantidade: abaixo dos limites experimentais e observacionais.

Aqui estão algumas verdades desconfortáveis ​​para os teóricos por aí: tanto profissionais quanto amadores de poltrona.

• A maioria das ideias que você terá, quando se trata de substituir nossas teorias conhecidas e aceitas, não são ideias novas, mas já existem na literatura.
• A maioria das novas idéias que você tem, após uma inspeção mais aprofundada, se tornará fatalmente falha por uma série de razões: elas se tornarão más idéias.
• E a maioria das novas e boas ideias que você tem, por mais interessantes que sejam, acabarão não descrevendo nossa realidade, pois a natureza não tem obrigação de se conformar com as melhores de nossas ideias.
• E, finalmente, se você não fez o trabalho duro de quantificar os efeitos físicos que surgirão de sua nova ideia, você não tem uma teoria: você tem um palpite incompleto.

Criar uma nova e boa ideia que realmente faça previsões explícitas que possam ser testadas e, em seguida, os resultados possam ser comparados com as alternativas, incluindo a teoria anteriormente predominante, é uma tarefa muito difícil, mas um obstáculo necessário para superar para que uma ideia nova a ser aceita. Como Lord Kelvin uma vez colocou :

“Costumo dizer que quando você pode medir o que está falando e expressá-lo em números, você sabe algo sobre isso, quando você não pode expressá-lo em números, seu conhecimento é escasso e insatisfatório; pode ser o começo do conhecimento, mas você tem assustadoramente, em seus pensamentos, avançado ao estágio da ciência, seja qual for o assunto.”

Este gráfico de 4 painéis mostra restrições nos axions solares, no momento magnético dos neutrinos e em dois “sabores” diferentes de candidatos à matéria escura, todos limitados pelos resultados mais recentes do XENONnT. Essas são as melhores restrições na história da física e demonstram de forma notável o quão boa a colaboração XENON chegou ao que eles fazem.

Isso não quer dizer que os teóricos, ao explorar as ideias que estão explorando hoje, estejam necessariamente fazendo algo mais notável do que esfaquear no escuro. Temos peças do quebra-cabeça que não se encaixam.

• Vemos decaimentos que violam CP nas interações fracas em alguns sistemas, mas não em outros, e não sabemos como prever a magnitude dessa violação.
• Não vemos decaimentos que violam CP nas interações fortes, embora o Modelo Padrão não os proíba, e não entendemos o que os suprime ou os impede.
• Sabemos que o campo de Higgs, ao se acoplar a partículas massivas, dá a elas suas massas de repouso, mas não sabemos como calcular quais deveriam ser essas massas.
• Sabemos, a partir de observações astrofísicas, que existe alguma forma invisível de energia que se comporta como se tivesse uma massa de repouso positiva, mas não tem uma seção transversal com luz ou matéria normal, mas não sabemos qual é sua natureza.
• Sabemos que existem campos quânticos permeando o espaço vazio, mas não sabemos como calcular a energia de ponto zero desses campos. Também sabemos, astrofisicamente, que o Universo se expande como se houvesse uma energia positiva, diferente de zero, inerente ao próprio espaço, mas só podemos medi-la.
• Sabemos que o Universo tem mais matéria do que antimatéria, mas não como foi gerado.
• Sabemos que os neutrinos têm massas de repouso diferentes de zero, mas não o que lhes dá essas massas.

E, no entanto, essas pistas não são suficientes para chegarmos a respostas que foram confirmadas por experimentos ou medições. Fizemos engenharia reversa com sucesso de vários cenários possíveis, mas ainda não foi identificada nenhuma causa definitiva para nenhum desses efeitos.

Se permitirmos que partículas X e Y, bósons de alta energia presentes nas grandes teorias unificadas, decaiam nas combinações de quarks e léptons mostradas, suas contrapartes antipartículas decairão nas respectivas combinações de antipartículas. Mas se o CP for violado, as vias de decaimento – ou a porcentagem de partículas decaindo de uma maneira versus outra – podem ser diferentes para as partículas X e Y em comparação com as partículas anti-X e anti-Y, resultando em uma produção líquida de bárions sobre antibárions e léptons sobre antiléptons. Este cenário fascinante, infelizmente, carece de evidências experimentais e observacionais críticas que o validariam como um caminho razoável para a bariogênese.

É muito fácil – fácil demais, na verdade – olhar para o estado atual das coisas e afirmar: “vocês estão fazendo tudo errado”. Nós sabemos. Todos nós sabemos que estamos fazendo errado, porque se soubéssemos como é fazer certo, todos faríamos isso. Mas aqui está a coisa importante que você deve lembrar: como teóricos, estamos tudo fazendo isto errado. Se soubéssemos como é fazer certo, faríamos isso e juntaríamos essas peças do quebra-cabeça de uma maneira que finalmente movesse o campo para frente. Ninguém está fazendo isso, e a razão é precisamente porque não há um caminho claro de como faríamos isso com sucesso.

O que sabemos, no entanto, é que a melhor esperança que o campo tem de avançar além de nossas limitações atuais não está em mais trabalho teórico, mas em experimentos e observações. A teoria foi tão longe quanto pode ir sem dados superiores; se tivéssemos mais pistas do próprio Universo, melhoraríamos nossas chances de fazer o próximo avanço crítico que nos levaria além do Modelo Padrão da física de partículas e além do modelo ΛCDM inflacionário de nosso cosmos. Isso significa novos observatórios, novos experimentos e novos colisores. Se queremos avançar, precisamos de melhores informações para nos guiar.

É sempre mais fácil criticar do que encontrar um caminho superior a seguir. O melhor que conseguimos foi o seguinte: deixar as pessoas escolherem por si mesmas em que trabalham. Até que haja uma pista mais convincente que nos mostre o que o Universo está realmente fazendo, não temos nada melhor do que simplesmente continuar tentando o nosso melhor.

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