• Começa Com Um Estrondo

Não deixe a teoria das cordas arruinar a ciência perfeitamente boa da cosmologia física

Um olhar detalhado sobre o Universo revela que ele é feito de matéria e não de antimatéria, que a matéria escura e a energia escura são necessárias e que não sabemos a origem de nenhum desses mistérios. No entanto, as flutuações na CMB, a formação e as correlações entre a estrutura em grande escala e as observações modernas de lentes gravitacionais apontam para a mesma imagem. (CHRIS BLAKE E SAM MOORFIELD)

Quando você mistura ciência com especulação, obtém especulação. Mas a ciência subjacente ainda é real.

Sempre que você ouvir a frase, é apenas uma teoria, deve acionar alarmes na parte científica do seu cérebro. Embora a maioria de nós, coloquialmente, use o termo teoria como sinônimo de uma palavra como ideia, hipótese ou palpite, você tem um nível muito mais alto para superar quando se trata de ciência. No mínimo, sua teoria precisa ser formulada dentro de uma estrutura autoconsistente que não viole suas próprias regras. Em seguida, sua teoria não precisa (obviamente) entrar em conflito com o que já foi observado e estabelecido: deve ser uma teoria não falsificada.

E então, mesmo assim, sua teoria só pode ser considerada especulativa até que os testes críticos e decisivos cheguem, permitindo que você discerna se sua teoria corresponde aos dados de uma maneira que as alternativas – incluindo a teoria do consenso anterior – não. Somente se sua teoria passar por uma série de testes ela será aceita pelo mainstream. Notoriamente, a teoria das cordas não atende aos critérios necessários para isso e pode ser considerada, na melhor das hipóteses, uma teoria especulativa. Mas muitas teorias astrofísicas, incluindo inflação, matéria escura e energia escura, são muito mais sólidas do que quase todo mundo imagina. Aqui está a ciência por trás de por que temos tanta certeza de que todos eles existem.

A gravidade quântica tenta combinar a teoria geral da relatividade de Einstein com a mecânica quântica. As correções quânticas à gravidade clássica são visualizadas como diagramas de loop, como o mostrado aqui em branco. Na realidade, sabemos que a relatividade geral funciona onde a gravidade de Newton não funciona e onde a relatividade especial não funciona, mas mesmo a relatividade geral deveria ter um limite para seu alcance de validade. (LACELERATOR LABORATÓRIO NACIONAL DO SLAC)

A história da ciência está repleta de ideias, algumas das quais demonstraram descrever com precisão a realidade em algum intervalo específico que podemos examiná-la, e outras das quais acabaram não descrevendo a realidade, embora pudessem tê-lo feito se a natureza tivesse respondido às nossas perguntas. diferente. Temos um Universo que obedece às leis do movimento de Newton e sua teoria da gravitação universal, desde que as velocidades sejam baixas em comparação com a velocidade da luz. Em velocidades mais altas, as leis do movimento de Newton não se aplicam mais e devem ser substituídas pela Relatividade Especial. Em campos gravitacionais fortes, mesmo a Relatividade Especial e a gravitação universal não são suficientes, e a Relatividade Geral é necessária.

Embora a Relatividade Geral se mantenha como nossa teoria da gravidade em todos os lugares em que a sondamos, esperamos que quando mergulharmos profundamente no Universo quântico - em escalas de distância suficientemente pequenas ou em escalas de energia suficientemente altas - até a Relatividade Geral é conhecida por dar respostas sem sentido: respostas que indicam o fim de sua validade. Apesar de todo o seu poder preditivo e de seu status como sem dúvida a teoria física mais bem-sucedida de todos os tempos, é impotente para descrever a região em torno da singularidade de um buraco negro, física próxima à escala de Planck ou o surgimento do próprio espaço e tempo. Para esses fenômenos, será necessária uma descrição quântica da gravidade.

Os rastros de partículas emanados de uma colisão de alta energia no LHC em 2014. Esses tipos de colisões testam a conservação de momento e energia de forma muito mais robusta do que qualquer outro experimento. Embora possa haver uma nova física por aí, e de fato quase certamente existe, o LHC atinge apenas energias de colisão de ~10⁴ GeV, ou 1 parte em 10¹⁵ da escala de Planck. (PCHARITO / WIKIMEDIA COMMONS)

Claro, nunca chegamos tão longe na prática. Diretamente, podemos produzir colisões em colisores de partículas de até pouco mais de 10⁴ GeV: o suficiente para unificar as forças eletromagnética e fraca e criar todas as partículas (e antipartículas) do Modelo Padrão, mas ainda um fator de um quatrilhão (10¹⁵ ) abaixo da escala de Planck. Qualquer que seja a física de:

• o Universo primitivo,
• o universo de alta energia,
• ou em escalas de distância abaixo de cerca de ~10^–19 metros,

não temos nenhuma evidência direta que a apoie.

Mas isso não nos impediu de, bem, teorizar. Podemos inventar cenários onde a nova física – física que, se a adicionarmos, não entraria em conflito com o Universo de baixa energia e tardio que já foi observado – entra em jogo. Muitos desses cenários são bastante famosos na comunidade da física e incluem novidades como dimensões extras, supersimetria, teorias da grande unificação, composição de certas partículas atualmente consideradas fundamentais e teoria das cordas.

As partículas do Modelo Padrão e suas contrapartes supersimétricas. Pouco menos de 50% dessas partículas foram descobertas e pouco mais de 50% nunca mostraram um traço de sua existência. A supersimetria é uma ideia que espera melhorar o Modelo Padrão, mas ainda precisa fazer previsões bem-sucedidas sobre o Universo na tentativa de suplantar a teoria predominante. Se não houver supersimetria em todas as energias, a teoria das cordas deve estar errada. (CLAIRE DAVID/CERN)

No entanto, não existe nenhuma evidência experimental direta para apoiar qualquer um desses cenários. Você não pode excluí-los exatamente por não encontrar evidências para eles; você só pode colocar restrições sobre eles, dizendo que, se existem, existem abaixo de um certo limite experimental. Em outras palavras, seus acoplamentos às partículas observadas devem estar abaixo de um determinado valor; suas seções transversais devem estar abaixo de um certo valor com matéria normal; as massas de novas partículas devem estar acima de um certo limite; seus efeitos nos decaimentos das partículas conhecidas devem estar abaixo dos limites medidos.

Muitos cientistas que trabalham nesses campos – nas fronteiras da física de partículas e de alta energia – começaram a expressar abertamente suas frustrações sobre a falta de novas direções promissoras a serem exploradas. No Grande Colisor de Hádrons, não há indicação de partículas além do Modelo Padrão, ou mesmo de canais de decaimento não padrão para o bóson de Higgs. Experimentos de decaimento de prótons estenderam a vida útil do próton para ~10³⁴ anos, descartando muitas grandes teorias unificadas. Experimentos de sondagem de dimensões extras resultaram vazios.

Em todas as frentes, a busca por uma nova física de partículas fundamental que nos leve além do Modelo Padrão até agora se mostrou vazia. Até o experimento Muon g-2 , elogiado por sua precisão na medição de uma constante fundamental particular do Universo, é sem dúvida mais provável que aponte para um problema em como calculamos quantidades usando métodos diferentes do que apontar para uma nova física.

Embora haja uma incompatibilidade entre os resultados teóricos e experimentais no momento magnético do múon (gráfico da direita), podemos ter certeza (gráfico da esquerda) que não é devido às contribuições Hadronic luz-a-luz (HLbL). No entanto, os cálculos de QCD de rede (azul, gráfico à direita) sugerem que as contribuições da polarização do vácuo hadrônico (HVP) podem ser responsáveis ​​por toda a incompatibilidade. (COLABORAÇÃO FERMILAB/MUON G-2)

Embora algumas ideias alternativas tenham surgido na física teórica de alta energia e nos círculos de gravidade quântica nos últimos anos, provou-se muito difícil introduzir novas ideias ou conceitos físicos que ainda não foram descartados pelo vasto conjunto de dados que já possuímos. As medições combinadas de efeitos sutis como mistura de quarks, oscilações de neutrinos, taxas de decaimento e taxas de ramificação limitam severamente os tipos de nova física que podem ser introduzidas. E, no entanto, desde que você esteja disposto a empurrar qualquer nova física que queira invocar para energias mais altas e seções transversais ou acoplamentos menores, você pode manter vivas ideias como supersimetria, dimensões extras, grande unificação e teoria das cordas.

No entanto, isso representa um enigma para os físicos teóricos que trabalham nesses problemas: no que eles devem trabalhar? Uma coisa é se envolver em ideias fantasiosas e calcular as consequências de qualquer cenário que você tenha imaginado; outra é continuar avançando, destemido, para explorar ainda mais um cenário sem evidências por trás dele. Você pode, é claro, mas deve se preocupar se está se iludindo ao fazer isso, assim como talvez os ~40 anos anteriores de teóricos de alta energia tenham feito. Você sempre pode tentar explorar cenários alternativos também, embora isso também não tenha sido frutífero.

Mas há uma terceira opção. Você pode pegar suas ideias e tentar trazê-las para um lugar onde há muitas evidências convincentes para a física além do que está bem estabelecido: o campo da cosmologia.

Durante os primeiros estágios do Universo, um período inflacionário se instalou e deu origem ao Big Bang quente. Hoje, bilhões de anos depois, a energia escura está fazendo com que a expansão do Universo acelere. Esses dois fenômenos têm muitas coisas em comum e podem até estar conectados, possivelmente relacionados através da dinâmica dos buracos negros. (C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ, E L. HERNQUIST, SCIENCE 319, 5859 (47))

Muitos teóricos de alta energia e teóricos de cordas começaram a trabalhar em problemas cosmológicos nos últimos anos e, de certa forma, isso é uma coisa boa. A física de partículas desempenha um papel tremendamente importante nos sistemas astrofísicos em todo o Universo e, em particular, em ambientes de alta energia, incluindo:

• no início do Universo durante as primeiras frações de segundo do quente Big Bang,
• em torno de objetos densos e colapsados, como buracos negros e estrelas de nêutrons,
• e em ambientes quentes, como plasmas astrofísicos.

Processos como aniquilação de matéria-antimatéria, criação de pares, emissão e captura de neutrinos, reações nucleares e o decaimento de partículas instáveis ​​ocorrem em grandes quantidades nesses ambientes extremos. A fusão da cosmologia com a física de altas energias levou ao surgimento de um novo campo em sua interseção: a física das astropartículas.

O mais emocionante, no entanto, é que algumas das observações astrofísicas que fizemos indicam que há mais no Universo do que o Modelo Padrão sozinho pode explicar. De muitas maneiras, são nossas medições do próprio cosmos – o Universo nas maiores escalas – que nos oferecem as pistas mais convincentes sobre o que pode estar lá fora no Universo além dos limites da física atualmente conhecida e bem compreendida.

Quatro aglomerados de galáxias em colisão, mostrando a separação entre os raios X (rosa) e a gravitação (azul), indicativo de matéria escura. Em grandes escalas, a matéria escura fria é necessária, e nenhuma alternativa ou substituto servirá. No entanto, mapear a luz de raios-X (rosa) não é necessariamente uma boa indicação da distribuição da matéria escura (azul). (RAIO-X: NASA/CXC/UVIC./A.MAHDAVI ET AL. ÓPTICO/LENSING: CFHT/UVIC./A. MAHDAVI ET AL. (CIMA ESQUERDA); RAIO-X: NASA/CXC/UCDAVIS/W. DAWSON ET AL.; ÓPTICO: NASA/ STSCI/UCDAVIS/ W.DAWSON ET AL. (TOP DIREITO); ESA/XMM-NEWTON/F. GASTALDELLO (INAF/ IASF, MILÃO, ITÁLIA)/CFHTLS (BAIXO ESQUERDO); X -RAY: NASA, ESA, CXC, M. BRADAC (UNIVERSIDADE DA CALIFÓRNIA, SANTA BARBARA), E S. ALLEN (UNIVERSIDADE DE STANFORD) (CAIXA DIREITA))

Em particular, existem quatro arenas onde simplesmente partir de um Universo em expansão extremamente quente, denso, uniforme, cheio de matéria e radiação, e evoluir o relógio para a frente no tempo, simplesmente não reproduzirá o cosmos que vemos hoje. . Se fizéssemos isso com as leis que conhecemos – Relatividade Geral mais o Modelo Padrão da física de partículas – obteríamos algo que parecia muito diferente do nosso Universo.

1. Não teríamos um Universo repleto de matéria, mas sim um onde partículas e antipartículas existissem em igual abundância entre si, e com uma densidade aproximadamente um trilhão de vezes menor do que a que temos hoje.
2. Não teríamos um Universo onde uma complexa teia de estrutura se formaria, mas um onde apenas estruturas em pequena escala se formariam, explodindo rapidamente uma vez que a primeira onda de formação de estrelas ocorresse.
3. Não teríamos um Universo onde objetos distantes se afastassem de nós em tempos tardios, mas sim um onde objetos distantes se afastassem cada vez mais lentamente de nós.
4. E não teríamos um Universo que nascesse com o espectro específico de flutuações iniciais que vemos, inclusive em escalas maiores que o horizonte cósmico, 100% dos quais são adiabáticos (isentrópicos) por natureza, com um corte não trivial para o temperatura máxima que poderia ter sido alcançada durante o quente Big Bang.

Esses quatro conjuntos de observações são vitais para a história do nosso Universo, apontando para a bariogênese e a criação de uma assimetria matéria-antimatéria, matéria escura, energia escura e inflação cósmica, respectivamente.

A observação de supernovas ainda mais distantes nos permitiu discernir a diferença entre “poeira cinza” e energia escura, descartando a primeira. Mas a modificação da “pó cinzenta reabastecedora” ainda é indistinguível da energia escura, embora essa seja uma explicação ad hoc e não física. A existência da energia escura é robusta e bastante certa. (A.G. RIESS ET AL. (2004), THE ASTROPHYSICAL JOURNAL, VOLUME 607, NÚMERO 2)

Não há apenas uma linha de evidência para qualquer um desses fenômenos, mas é muito claro que se você quiser reproduzir o Universo que temos, como observamos, esses ingredientes e componentes são necessários. A combinação de vários conjuntos de observações, incluindo:

• os objetos distantes que observamos, cuja física subjacente e propriedades observáveis ​​são bem conhecidas, em uma variedade de redshifts,
• o agrupamento de galáxias em escalas cósmicas,
• as flutuações observadas na temperatura e polarização da radiação cósmica de fundo em micro-ondas,
• as emissões combinadas de raios-X e efeitos gravitacionais de grupos e aglomerados de galáxias que estão no processo ou após a colisão,
• os movimentos individuais de galáxias dentro de aglomerados de galáxias,
• a força e o número das características de absorção devido a nuvens moleculares de quasares e galáxias ultradistantes,

todos indicam que essas quatro coisas existem ou ocorreram: a bariogênese e a inflação ocorreram, e a matéria escura e a energia escura existem. As únicas alternativas que temos são ajustar as condições iniciais com as quais o Universo nasceu e adicionar algum tipo de novas partículas ou campos que imitam a matéria escura e a energia escura de todas as maneiras medidas até agora, mas diferem de alguma maneira sutil que ainda não foi identificado.

Uma coleção igualmente simétrica de bósons de matéria e antimatéria (de X e Y, e anti-X e anti-Y) poderia, com as propriedades GUT corretas, dar origem à assimetria matéria/antimatéria que encontramos em nosso Universo hoje. No entanto, assumimos que existe uma explicação física, e não divina, para a assimetria matéria-antimatéria que observamos hoje, mas ainda não sabemos com certeza. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

É verdade que muitos dos detalhes desses cenários – particularmente quando você combina todas as quatro peças do quebra-cabeça cósmico – levam a consequências que podem ou não ser observáveis.

• O fato de que a bariogênese ocorreu não é garantia de que ocorreu em um regime onde nossos colisores de partículas ou experimentos sensíveis de decaimento ou recuo serão capazes de alcançar.
• O fato de que a inflação cósmica ocorreu não é garantia de que imprimiu informações suficientes no Universo para que possamos determinar com sucesso todas as propriedades da inflação. O fato de prever a existência de um multiverso não é garantia de que tal multiverso seja detectável ou mensurável.
• O fato de a matéria escura existir não é garantia de que seremos capazes de criá-la e medi-la em um experimento de laboratório, ou que ela tenha propriedades que lhe conferem uma seção transversal diferente de zero com a matéria normal baseada no Modelo Padrão.
• E o fato de a energia escura existir não é garantia de que seremos capazes de determinar qual é sua natureza ou por que ela existe.

Usar ideias teóricas especulativas da física de alta energia para motivar a exploração de vários cenários pode ser popular, mas não é a única abordagem nem há razão para acreditar que seja uma abordagem convincente. Quando você adiciona especulação à ciência sólida, obtém especulação. Isso não diminui a solidez da ciência do som, no entanto. Bariogênese, inflação, matéria escura e energia escura são tão reais como sempre, e não dependem de nenhuma das ideias especulativas da física de altas energias, como supersimetria ou teoria das cordas, serem verdadeiras ou corretas de alguma forma.

As flutuações quânticas que ocorrem durante a inflação se estendem por todo o Universo e, quando a inflação termina, elas se tornam flutuações de densidade. Isso leva, ao longo do tempo, à estrutura em grande escala do Universo hoje, bem como às flutuações de temperatura observadas na CMB. Novas previsões como essas são essenciais para demonstrar a validade de um mecanismo de ajuste fino proposto. (E. SIEGEL, COM IMAGENS DERIVADAS DA ESA/PLANCK E DA FORÇA-TAREFA INTERAGÊNCIA DO DOE/NASA/NSF NA PESQUISA CMB)

Há um conjunto irracional de metas móveis que alguns cientistas – particularmente contrários ao mainstream – estabeleceram para adicionar uma falsa legitimidade às suas reivindicações, bem como uma incerteza falsa às posições de consenso (bem justificadas). Não precisamos identificar o mecanismo exato da bariogênese para saber que ocorreu um desequilíbrio matéria-antimatéria em nosso Universo. Não precisamos detectar diretamente qualquer partícula responsável pela matéria escura, supondo que a matéria escura mesmo é uma partícula com uma seção transversal de espalhamento diferente de zero, saber que existe. Nós não precisamos detectar ondas gravitacionais da inflação confirmar a inflação; a quatro testes discriminatórios que já realizamos são decisivos.

E, no entanto, ainda existem incógnitas sobre as quais devemos ser honestos. Não sabemos a causa da bariogênese ou a natureza da matéria escura. Não sabemos se a inflação realmente deve continuar por uma eternidade, se realmente começou em algum estado predecessor não inflacionário, e não podemos testar se o multiverso é real ou não. Não sabemos, para ser franco, até onde se estende o alcance da validade dessas teorias.

Mas o fato de haver limites para o que sabemos e para o que podemos saber não torna nosso conhecimento real do cosmos menos certo. A simpatia por posições contrárias e a empolgação com ideias especulativas só devem se estender até certo ponto: na medida em que sejam apoiadas pelo conjunto completo de evidências disponíveis. Especialmente quando você está tentando avançar as fronteiras da ciência, é importante não perder de vista o que é realmente, solidamente conhecido e estabelecido ao longo do caminho. Afinal, como disse Richard Feynman, quando se trata de ciência, se você não cometer erros, estará fazendo errado. Se você não corrigir esses erros, você está fazendo isso realmente errado. Se você não pode aceitar que está enganado, você não está fazendo isso.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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