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O ajuste fino é realmente um problema em física

Quando vemos algo como uma bola equilibrada precariamente no topo de uma colina, isso parece ser o que chamamos de estado de sintonia fina, ou estado de equilíbrio instável. Uma posição muito mais estável é a bola estar em algum lugar no fundo do vale. Sempre que nos deparamos com uma situação física bem afinada, há boas razões para buscar uma explicação com motivação física para ela. (LUIS ÁLVAREZ-GAUMÉ & JOHN ELLIS, NATURE PHYSICS 7, 2–3 (2011))

Quando o Universo nos dá pistas, nós as ignoramos por nossa conta e risco.

Quando você aborda o mundo cientificamente, procura obter conhecimento sobre como ele funciona fazendo perguntas sobre si mesmo. Você observa seu comportamento; você realiza experimentos nele; você mede quantidades específicas nas quais está interessado. Se você fizer as perguntas certas da maneira certa, poderá começar a obter informações sobre quais fenômenos físicos governam o comportamento que foi revelado em cada uma de suas investigações.

Na maioria das vezes, seus resultados lhe ensinarão algo específico sobre o Universo. Mas de vez em quando, você encontrará algo que parece bom demais para ser verdade. Você medirá algo que o confundirá de duas maneiras: ou duas coisas que parecem não relacionadas são perfeitamente (ou quase perfeitamente) idênticas, ou duas coisas que parecem relacionadas são extraordinariamente diferentes. Isso é conhecido como ajuste fino, e é realmente um problema em física.

A paisagem das cordas pode ser uma ideia fascinante cheia de potencial teórico, mas não pode explicar por que o valor de um parâmetro tão bem ajustado como a constante cosmológica (ou o valor da energia escura) tem o valor que tem. Ainda assim, entender por que esse valor assume o valor específico que assume é uma questão de ajuste fino que a maioria dos cientistas supõe ter uma resposta motivada fisicamente. (UNIVERSIDADE DE CAMBRIDGE)

Você nem precisa olhar para a física para entender por que esse seria o caso. Imagine, em vez disso, que você estivesse olhando para o patrimônio líquido de algumas das pessoas mais ricas do mundo, com base em a lista de bilionários da Forbes . Se você escolhesse dois deles ao acaso, o que esperaria encontrar? Claro, você esperaria que cada um valesse pelo menos um bilhão de dólares, mas também esperaria que houvesse uma grande diferença entre esses dois valores.

Se o primeiro bilionário vale uma quantia PARA , e o segundo vale uma quantia B. , então a diferença entre eles é C , Onde A — B = C . Sem qualquer conhecimento adicional, você deve ser capaz de supor algo sobre C : não deve ser muito menor do que qualquer um PARA ou B. . Em outras palavras, se PARA e B. ambos estão na casa dos bilhões de dólares, então é provável que C estará em (ou próximo a) um valor de bilhões também.

Quando você tem dois números grandes, em geral, e toma sua diferença, a diferença será da mesma ordem de grandeza dos números originais em questão. (E. SIEGEL / DADOS DA FORBES)

Por exemplo, PARA pode ser Pat Stryker (# 703 na lista), vale, digamos, $ 3.592.327.960. E B. pode ser David Geffen (# 190), no valor de $ 8.467.103.235. A diferença entre eles, ou A-B , é então -$4.874.775.275. C tem uma chance de 50/50 de ser positivo ou negativo, mas na maioria dos casos, será da mesma ordem de magnitude (dentro de um fator de 10 ou mais) de ambos PARA e B. .

Mas nem sempre será. Por exemplo, a maioria dos mais de 2.200 bilionários do mundo vale menos de US$ 2 bilhões, e há centenas que valem entre US$ 1 bilhão e US$ 1,2 bilhão. Se você escolhesse dois deles aleatoriamente, não o surpreenderia muito se a diferença em seu patrimônio líquido fosse apenas algumas dezenas de milhões de dólares.

Os empreendedores Tyler Winklevoss e Cameron Winklevoss discutem bitcoin com Maria Bartiromo no FOX Studios em 11 de dezembro de 2017. Os primeiros 'bilionários de bitcoin' do mundo, seus patrimônios líquidos são praticamente idênticos, mas há uma razão subjacente por trás disso. (ASTRID STAWIARZ / GETTY IMAGES)

Pode, no entanto, surpreendê-lo se a diferença entre eles for apenas alguns milhares de dólares ou zero. Quão improvável, você pensaria. Mas pode não ser tão improvável assim.

Afinal, você não sabe quais bilionários estavam na sua lista. Você ficaria chocado ao saber que os gêmeos Winklevoss – Cameron e Tyler, os primeiros bilionários do Bitcoin – tinham patrimônios líquidos idênticos? Ou que os irmãos Collison, Patrick e John (cofundadores da Stripe), tinham patrimônios líquidos que diferiam apenas algumas centenas de dólares?

Não, não seria particularmente surpreendente. Em geral se PARA é grande e B. é grande então A-B também será grande, a menos que haja algum motivo para PARA e B. estar muito próximos. A distribuição de bilionários não é completamente aleatória, pois pode haver razões subjacentes para que dois valores aparentemente não relacionados sejam realmente relacionados. (No caso dos patrimônios líquidos dos Winklevosses ou dos Collisons, há literalmente uma relação de sangue!)

Os destinos esperados do Universo (três ilustrações principais) correspondem a um Universo onde a matéria e a energia combinadas lutam contra a taxa de expansão inicial. Em nosso Universo observado, uma aceleração cósmica é causada por algum tipo de energia escura, que até agora é inexplicável. Todos esses Universos são regidos pelas equações de Friedmann, que relacionam a expansão do Universo aos vários tipos de matéria e energia presentes nele. Há um aparente problema de ajuste fino aqui, mas pode haver uma causa física subjacente. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

No Universo, há muitas coisas que são finamente ajustadas. O próprio Universo em expansão é um exemplo fantástico. No primeiro momento do quente Big Bang, o próprio tecido do espaço estava se expandindo a uma taxa particular (a taxa de expansão do Hubble) que era enorme. Ao mesmo tempo, o Universo estava cheio de uma tremenda quantidade de energia na forma de partículas, antipartículas e radiação.

O Universo em expansão é basicamente uma corrida entre essas duas forças concorrentes:

• a taxa de expansão inicial, que funciona para separar tudo,
• e a gravitação de todas as diferentes formas de energia presentes, que trabalham para juntar tudo,

com o Big Bang servindo como arma inicial. Curiosamente, para acabar com o Universo que temos hoje, esses dois números, que parecem não relacionados, devem ser ajustados em uma quantidade incrível.

Se o Universo tivesse apenas uma densidade um pouco maior (vermelho), já teria colapsado novamente; se tivesse apenas uma densidade um pouco menor, teria se expandido muito mais rápido e se tornado muito maior. (TUTORIAL DE COSMOLOGIA DE NED WRIGHT)

Este quebra-cabeça é conhecido como o problema da planicidade, como um Universo onde a energia e a taxa de expansão se equilibram tão perfeitamente também serão perfeitamente planas espacialmente. Também podemos, hoje, medir a curvatura do Universo por vários métodos diferentes, como examinar os padrões de flutuações no fundo cósmico de micro-ondas.

O aparecimento de flutuações com diferentes tamanhos angulares na CMB resulta em diferentes cenários de curvatura espacial. Atualmente, o Universo parece ser plano, mas medimos apenas cerca de 0,4%. Em um nível mais preciso, podemos descobrir algum nível de curvatura intrínseca, afinal. (GRUPO SMOOT NO LAWRENCE BERKELEY LABS)

Ao comparar as observações que fazemos com nossas previsões teóricas sobre como essas flutuações devem se parecer em um Universo com diferentes quantidades de curvatura, podemos determinar que o Universo é extremamente plano espacialmente, ainda hoje. Se extrapolarmos de volta aos estágios iniciais do Big Bang quente com base em nossas observações modernas, aprendemos que a taxa de expansão inicial e a densidade de energia inicial devem ser equilibradas para algo como 50 dígitos significativos.

As órbitas dos oito planetas principais variam em excentricidade e na diferença entre periélio (aproximação mais próxima) e afélio (distância mais distante) em relação ao Sol. Não há razão fundamental para que algumas órbitas planetárias sejam mais ou menos excêntricas umas das outras; é simplesmente o resultado das condições iniciais das quais o Sistema Solar se formou. (NASA / JPL-CALTECH / R. HURT)

Quando nos deparamos com um quebra-cabeça como este, temos duas opções de como proceder. A primeira é afirmar que esse ajuste fino é simplesmente resultado das condições iniciais que são necessárias para nos dar o resultado que temos hoje. Afinal, são muitas as coincidências que observamos hoje em que duas coisas aparecem intimamente relacionadas porque foram montadas, há muito tempo, com as condições certas que as levariam a parecer relacionadas hoje.

Vênus, por exemplo, orbita o Sol em uma forma elíptica, semelhante à forma como todos os planetas orbitam. Mas Vênus tem a menor diferença percentual entre sua aproximação mais próxima do Sol (periélio) e quando atinge sua maior distância do sol (afélio) de qualquer um dos planetas.

Por que Vênus é mais circular e menos elíptico do que qualquer outro planeta? É simplesmente devido às condições iniciais do material que deu origem ao Sistema Solar. Netuno é o segundo mais circular, seguido pela Terra. O planeta menos circular? Mercúrio, seguido por Marte e depois Saturno. Não havia um mecanismo que causasse essas excentricidades; teve o resultado que observamos hoje por causa das condições iniciais (aparentemente aleatórias) com as quais nosso Sistema Solar nasceu.

Esta formação rochosa, conhecida como Balanced Rock in Arches National Park, parece estar em equilíbrio instável, como se alguém a tivesse empilhado ali e equilibrado perfeitamente, há muito tempo. No entanto, não é apenas uma coincidência, mas sim uma consequência dos processos de geologia e erosão subjacentes que deram origem à estrutura que vemos hoje. (GETTY)

Mas este é um caminho pouco atraente e pouco esclarecedor, porque pressupõe que não há uma causa subjacente que deu origem ao efeito que observamos. A opção alternativa é assumir que houve algum mecanismo que deu origem ao aparente ajuste fino que vemos hoje.

Por exemplo, se você der uma olhada em uma enorme pedra equilibrada precariamente em um poleiro, você assumiria que algo fez com que fosse assim. Pode ser porque alguém cuidadosamente a colocou e equilibrou lá, ou pode ser porque a erosão e o intemperismo aconteceram de tal forma que essa estrutura evoluiu naturalmente. O ajuste fino não precisa implicar em um ajuste fino, mas sim que havia um mecanismo físico subjacente ao motivo pelo qual algo parece bem ajustado hoje. O efeito pode parecer uma coincidência improvável, mas pode não ser o caso se houver uma causa responsável pelo efeito que vemos.

A inflação faz com que o espaço se expanda exponencialmente, o que pode resultar muito rapidamente em qualquer espaço curvo ou não liso pré-existente parecendo plano. Se o Universo é curvo, ele tem um raio de curvatura no mínimo centenas de vezes maior do que podemos observar. (E. SIEGEL (L); TUTORIAL DE COSMOLOGIA DE NED WRIGHT (R))

Voltando ao caso do problema da planicidade, é fácil teorizar algumas explicações potenciais para o que faria com que o Universo parecesse plano hoje. É possível que a taxa de expansão inicial e a densidade de energia inicial do Universo tenham surgido do mesmo estado pré-existente, fazendo com que esses dois valores sejam relacionados e equilibrados.

Também é possível que uma fase do Universo existisse antes do Big Bang, expandindo-se rapidamente e esticando o Universo para que seja indistinguível de perfeitamente plano. É possível que o Universo seja realmente curvo, mas que seja curvo em uma escala muito maior do que o nosso Universo observável nos permite acessar, da mesma forma que você não poderia medir a curvatura da Terra apenas examinando seu próprio quintal.

O objetivo de um argumento de ajuste fino não é declarar que temos uma coincidência estranha e, portanto, qualquer coisa que explique essa coincidência provavelmente está certa. Em vez disso, ele nos aponta para as várias maneiras pelas quais podemos pensar sobre um quebra-cabeça inexplicável, para tentar fornecer uma explicação física para um fenômeno que não tem causa óbvia.

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)

Na ciência, nosso objetivo é descrever tudo o que observamos ou medimos no Universo apenas por meio de explicações físicas e naturais. Quando vemos o que parece ser uma coincidência cósmica, devemos a nós mesmos examinar todas as possíveis causas físicas dessa coincidência, pois uma delas pode levar ao próximo grande avanço. Isso não significa que você deva creditar (ou culpar) uma teoria ou ideia em particular sem mais evidências, mas as possíveis soluções que podemos teorizar nos dizem onde pode ser inteligente procurar.

Como sempre, temos requisitos rigorosos para que qualquer teoria seja aceita, o que inclui reproduzir todos os sucessos da teoria principal anterior, explicar esses novos quebra-cabeças e também fazer novas previsões sobre quantidades observáveis ​​e mensuráveis ​​que podemos testar. Até que uma nova ideia tenha sucesso em todas as três frentes, é apenas especulação. Mas essa especulação ainda é incrivelmente valiosa. Se não nos engajarmos nisso, já desistimos de descobrir novas verdades fundamentais sobre nossa realidade.

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 .

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