Começa Com Um Estrondo

O princípio antrópico é o que os cientistas usam quando desistem da ciência

Os seres humanos podem existir em nosso mundo hoje por causa dos ingredientes e regras que compõem o Universo. Se as coisas fossem muito diferentes, observadores inteligentes de qualquer tipo seriam impossíveis. (VANIARAPOSO / PIXABAY)

Sim, a vida existe em nosso Universo. Não, essa afirmação não é igual à ciência.

Imagine que você encontrou um fenômeno natural que deseja entender melhor, mas não tem as ferramentas para isso. Talvez você esteja curioso para saber por que as constantes fundamentais têm os valores que têm, ou quantos anos a Terra tem, ou se existem estados de matéria não descobertos por aí. Em circunstâncias normais, você conduziria sua investigação cientificamente: fazendo medições e observações que fazem perguntas ao Universo sobre si mesmo. Você coletaria dados, obteria resultados e tiraria conclusões com base no que encontrou.

Mas, às vezes, você não sabe como conduzir os experimentos ou reunir as observações de que precisa. Às vezes, você só pode recorrer à mais básica das suposições: que, independentemente do comportamento do Universo, ele se comportou de uma maneira que permitiu que ele desse origem a observadores inteligentes como nós. Essa linha de pensamento é conhecida como Princípio Antrópico. Embora possa servir como um ponto de partida útil, não substitui a ciência real.

A galáxia Messier 94 é grande, arrebatadora e bela, e é um membro dominante de um grupo frouxamente ligado a ela. O fato de que o Universo não se expandiu rápido demais para que estrelas e galáxias se formassem, nem entrou em colapso antes que essas mesmas entidades pudessem existir é um fato notável, mas inexplicável, sobre a realidade. (R JAY GABANY (OBS. BLACKBIRD))

Ninguém duvida que o Universo existe, que obedece a leis fundamentais, e que nós — como tudo neste Universo — também obedecemos a essas mesmas regras. Surgimos naturalmente e, portanto, o Universo deve ter propriedades que pelo menos tornem possível, se não obrigatório, o surgimento de observadores vivos e inteligentes como nós.

Esta não é uma afirmação controversa, pois simplesmente afirma que o Universo se comporta de uma maneira consistente com nosso próprio comportamento observado. O que chamamos de Princípio Antrópico é simplesmente uma versão mais refinada de Descartes: eu existo neste Universo e, portanto, o Universo existe de uma maneira consistente com minha existência dentro dele.

Em silhueta contra as auroras criadas perto dos polos da Terra, dois seres humanos, assim como as próprias auroras, só são possíveis por causa da matéria no Universo e das regras fundamentais da física que ela obedece. (BEN HUSSMAN/FLICKR)

No entanto, de alguma forma, alguns dos melhores cientistas do mundo começaram a usar o Princípio Antrópico como substituto da investigação científica. Para a comunidade científica que segue esse caminho, é um dos caminhos mais perigosos possíveis. Você corre um grande risco: de se enganar pensando que descobriu algo significativo, quando tudo o que você fez foi colocar restrições em suas próprias suposições (não necessariamente boas).

Assumimos que somos bons em identificar quais propriedades são incompatíveis com a vida inteligente. Assumimos que somos bons em apontar quais tipos de Universo não poderiam admitir nossa existência, ou a existência de algum observador como nós. E assumimos que as conclusões filosóficas que tiraríamos, com base em nossa experiência e extrapolações, são significativas para restringir como o Universo está conectado. Esta é a essência do Princípio Antrópico, e pode não ser tão correto quanto normalmente aceitamos.

Remanescentes de supernova (L) e nebulosas planetárias (R) são ambos os produtos de estrelas massivas e moribundas, permitindo-lhes reciclar seus elementos queimados e pesados de volta ao meio interestelar e à próxima geração de estrelas e planetas. Esses processos são duas maneiras pelas quais os elementos pesados necessários para o surgimento da vida química são gerados, e é difícil (mas não impossível) imaginar um Universo sem eles ainda dando origem a observadores inteligentes. (ESO / VERY LARGE TELESCOPE / FORS INSTRUMENT & TEAM (L); NASA, ESA, C.R. O'DELL (VANDERBILT) E D. THOMPSON (LARGE BINOCULAR TELESCOPE) (R))

O Princípio Antrópico surgiu em 1973, quando o físico Brandon Carter fez as duas seguintes afirmações.

Devemos estar preparados para levar em conta o fato de que nossa localização no Universo é necessariamente privilegiada ao ponto de ser compatível com nossa existência como observadores.
O Universo (e, portanto, os parâmetros fundamentais dos quais depende) deve ser capaz de admitir a criação de observadores dentro dele em algum momento.

A primeira afirmação é agora conhecida como o Princípio Antrópico Fraco, que simplesmente afirma que o Universo deve ser tal que poderíamos ter surgido dentro dele. A segunda afirmação, mais controversa, é chamada de Princípio Antrópico Forte, que afirma que se ninguém surgisse no Universo, nunca estaríamos aqui investigando.

Simplesmente observando que existimos dentro deste Universo, e que o Universo tem parâmetros, constantes e leis fundamentais, é suficiente para tirar conclusões sobre quais maneiras o Universo poderia e não poderia ter sido.

As quatro forças (ou interações) da Natureza, suas partículas portadoras de força e os fenômenos ou partículas afetadas por elas. As três interações que governam o microcosmos são muito mais fortes que a gravidade e foram unificadas através do Modelo Padrão. É um feito tremendo, mas ainda não sabemos por que as leis são o que são ou por que as constantes têm os valores que possuem. (TIPOFORM/NOBEL MÍDIA)

Quando você aplica o Princípio Antrópico corretamente, ele pode realmente levar você a avanços científicos brilhantes. Por volta do início do século 20, a teoria da evolução de Charles Darwin sugeriu que pelo menos centenas de milhões de anos seriam necessários para que plantas e animais atingissem a diversidade que apresentam atualmente, enquanto a geologia sugeria que a própria Terra tinha pelo menos bilhões de anos. .

Havia um problema com isso, no entanto: o Sol. Para alimentar a Terra durante todo esse tempo, o Sol precisava produzir algo próximo à sua potência atual – 4 × 10²⁶ watts – de forma contínua. No entanto, mesmo com toda a massa presente no Sol, isso foi um desafio para a física. Ninguém menos do que Lorde Kelvin tentou calcular quanto tempo o Sol poderia viver se precisasse desligar essa energia continuamente, e se deparou com um quebra-cabeça que, pode-se argumentar, surgiu em bases antrópicas.

Sirius A e B, uma estrela normal (semelhante ao Sol) e uma estrela anã branca. Existem estrelas que obtêm sua energia da contração gravitacional, mas são as anãs brancas, que são milhões de vezes mais fracas do que as estrelas com as quais estamos mais familiarizados. Foi só quando entendemos a fusão nuclear que começamos a compreender como as estrelas brilham. (NASA, ESA E G. BACON (STSCI))

O Sol é feito principalmente de hidrogênio, e Kelvin imaginou três cenários possíveis de como o Sol poderia ter gerado toda essa energia:

O Sol está queimando algum tipo de combustível, como o hidrogênio, através da combustão química. Isso levaria a uma vida útil de apenas algumas dezenas de milhões de anos: insuficiente para o que a biologia e a geologia exigem.
O Sol pode estar absorvendo continuamente uma fonte de combustível, como cometas ou asteróides, que queima como fonte de energia. No entanto, mesmo que devorasse e usasse todos os cometas e asteróides que conhecemos, apenas prolongaria sua vida por dezenas de milhares de anos, novamente uma quantidade insuficiente.
O Sol pode estar se contraindo gravitacionalmente, convertendo energia gravitacional em luz/calor e alimentando a Terra (e o Sistema Solar) a partir desse método. Isso levaria a uma vida de centenas de milhões de anos, mas não mais.

Isso não podia ser conciliado com a física e a geologia da época, mas o advento de um novo mecanismo – a ciência da fusão nuclear – levou a uma solução que satisfez a todos.

Este corte mostra as várias regiões da superfície e do interior do Sol, incluindo o núcleo, que é onde ocorre a fusão nuclear. Embora o hidrogênio seja convertido em hélio, a maioria das reações e a maior parte da energia que alimenta o Sol vem de outras fontes. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS KELVINSONG)

Da mesma forma, na década de 1950, as pessoas buscavam uma compreensão detalhada de como os elementos mais pesados da tabela periódica foram criados. Embora o processo de fusão nuclear pudesse facilmente transformar hidrogênio em hélio, fundir hélio em elementos mais pesados se mostrou problemático. A adição de dois núcleos de hélio cria um isótopo instável de berílio, mas ele decai de volta para dois núcleos de hélio após apenas ~ 10 ^ -16 segundos.

Conseguir um terceiro núcleo de hélio antes que ele decaia pode ser possível sob as condições quentes e densas encontradas nos centros das estrelas, mas a taxa de reação estaria totalmente errada. Na física, é mais fácil fazer uma reação ocorrer com a energia certa e, como energia e massa são intercambiáveis (via Einstein, E = mc² ), os cientistas puderam ver que os núcleos de carbono eram leves demais para serem responsáveis pela fusão do hélio.

A previsão do estado de Hoyle e a descoberta do processo triplo-alfa é talvez o uso mais surpreendentemente bem-sucedido do raciocínio antrópico na história científica. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO BORB)

No entanto, a partir do Princípio Antrópico, somos observadores que existem em nosso Universo, e nós mesmos somos feitos de carbono. Claramente, o Universo deve ter tido alguma maneira de fazer esse carbono, e a fusão de hélio é o caminho mais razoável a seguir. O único problema é que a energia do núcleo de carbono não tem as propriedades certas.

Em um golpe de gênio de tirar o fôlego, o cientista Fred Hoyle previu que um estado excitado do núcleo de carbono-12 deve existir em uma determinada energia para que três núcleos de hélio-4 possam se fundir eficientemente em carbono no interior das estrelas. A descoberta da teoria Estado de Hoyle e o mecanismo para formá-lo - o processo triplo alfa — foi procurado e encontrado pelo físico nuclear Willie Fowler. Através do raciocínio antrópico, descobrimos como os elementos pesados do Universo foram criados nas estrelas.

Willie Fowler em W.K. Kellogg Radiation Laboratory da Caltech, que confirmou a existência do Hoyle State e do processo triplo-alfa. (ARQUIVOS CALTECH)

Você pode pensar, portanto, que esses exemplos mostram quão científico é o Princípio Antrópico. Embora representem boas aplicações do raciocínio antrópico, é mais uma demonstração do verdadeiro poder do Princípio Antrópico: mostrar que uma solução pode ser possível em uma série de circunstâncias dadas.

Qual é a solução real, porém, requer a aplicação das ferramentas tradicionais da ciência. Na década de 1980, ninguém sabia qual era a energia do ponto zero do espaço vazio; nunca havíamos medido nada que pudesse dar uma indicação de seu valor. No entanto, o fato de o Universo não ter colapsado nem expandido muito rapidamente para impedir a formação de estrelas e galáxias nos permitiu colocar um limite: cerca de 10^-118 mais fraco do que um cálculo ingênuo, contando com a massa de Planck como um de fato escala de energia, implicaria. A previsão de Steven Weinberg , datado de 1987, foi um marco importante para a aplicação do Princípio Antrópico.

Os quatro destinos possíveis do nosso Universo no futuro; o último parece ser o Universo em que vivemos, dominado pela energia escura. O que está no Universo, juntamente com as leis da física, determina não apenas como o Universo evolui, mas quantos anos ele tem. Se a energia escura fosse cerca de 100 vezes mais forte na direção positiva ou negativa, nosso Universo como o conhecemos teria sido impossível. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Quando descobrimos a energia escura em 1998, medimos esse número pela primeira vez e concluímos que era 10^-120 vezes a previsão ingênua. O Princípio Antrópico foi capaz de nos guiar onde nosso poder de cálculo falhou, mas esse é o seu limite. Ele pode nos dizer onde estão os limites do que é possível para o nosso Universo e reinar em nossa imaginação de outra forma irrestrita, mas não pode responder às nossas grandes questões. Para isso, precisamos de ciência real.

Infelizmente, o Princípio Antrópico tem sido grosseiramente mal interpretado e muitas vezes mal aplicado. Afirmações são comuns na literatura científica hoje que o Princípio Antrópico:

suporta um multiverso,
fornece evidências para a paisagem de cordas,
exige que tenhamos um grande gigante gasoso para nos proteger de asteróides,
e explica por que estamos localizados à distância que estamos do centro galáctico.

Em outras palavras, as pessoas argumentam que o Universo deve ser exatamente como é porque existimos da maneira que fazemos neste Universo, que existe com suas propriedades observadas atualmente.

Podemos imaginar uma grande variedade de Universos possíveis que poderiam ter existido, mas mesmo se aplicarmos as leis da física como são conhecidas, ainda existem constantes fundamentais necessárias para determinar exatamente como nosso Universo se comporta e evolui. Um grande número de constantes fundamentais é necessário para descrever a realidade como a conhecemos, embora muitos esperem que uma teoria mais completa algum dia reduza o número necessário. (JAIME SALCIDO/SIMULAÇÕES PELA COLABORAÇÃO EAGLE)

Mas não é assim que o Princípio Antrópico funciona! O Universo, de fato, permitiu que observadores surgissem, mas há muitas outras possibilidades de como os observadores poderiam ter surgido além do caminho que nos deu origem.

Podemos afirmar que um Universo imaginário, onde as leis da física tornam impossível a existência de observadores, pode ser descartado como representante da nossa realidade. Essa é uma boa declaração. Mas você não pode afirmar que o Universo deve ter se desdobrado exatamente da maneira que aconteceu. Você não pode exigir que o Universo ordene nossa existência. E você não pode exigir que o Universo foi obrigado a nos dar exatamente como somos.

Porque o Universo não é do jeito que é porque estamos aqui. Essa linha de raciocínio é o maior inimigo do Princípio Antrópico de todos: uma simples falácia lógica .

A paisagem das cordas pode ser uma ideia fascinante cheia de potencial teórico, mas não prevê nada que possamos observar em nosso Universo. Essa ideia de beleza, motivada pela resolução de problemas ‘não naturais’, não é suficiente por si só para se elevar ao nível exigido pela ciência. (UNIVERSIDADE DE CAMBRIDGE)

Não há dúvida de que o Universo é governado por leis, constantes e as condições iniciais que lhe deram origem. Este mesmo Universo então, por sua vez, nos deu origem. Mas isso não exige que o Universo tenha as propriedades exatas que tem para admitir nossa existência, nem implica que um Universo que fosse diferente de alguma maneira fundamental seria uma impossibilidade para os observadores. Mais importante ainda, não podemos usar o Princípio Antrópico para aprender por que o Universo é da maneira como o vemos, em oposição a qualquer outra maneira.

O Princípio Antrópico pode ser um ponto de partida notável, permitindo-nos colocar restrições às propriedades do Universo devido ao facto da nossa existência, mas isso não é uma solução científica em si. Nosso objetivo na ciência, lembre-se, é entender como o Universo chegou às suas propriedades atuais por meio de processos naturais. Se substituirmos a investigação científica por argumentos antrópicos, nunca chegaremos lá. O multiverso pode ser real , mas o Princípio Antrópico não pode explicar cientificamente por que as propriedades do nosso Universo são o que são.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .