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Quantas constantes fundamentais são necessárias para explicar o universo?

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)

E, mesmo com tudo o que sabemos, o que ainda permanece inexplicável?

Em um nível fundamental, nosso Universo é feito de partículas, forças, interações e o tecido do espaço e do tempo. O espaço-tempo forma o palco em constante evolução no qual o jogo do cosmos se desenrola, enquanto as partículas são os jogadores. Eles podem se unir, colidir, aniquilar, repelir, atrair ou interagir de acordo com as regras que governam as leis da natureza. Essas informações, juntamente com as condições iniciais do que estava presente em nosso Universo há muito tempo, nos dão quase tudo o que precisamos para entender como o Universo chegou a ser como é hoje.

O único ingrediente que faltava? As constantes fundamentais que descrevem as forças de todas as interações e as propriedades físicas de todas as partículas. Precisamos dessas informações para entender o Universo quantitativamente e responder à pergunta de quanto. São necessárias 26 constantes fundamentais para nos dar nosso Universo conhecido e, mesmo com elas, elas ainda não nos dão tudo.

As massas de repouso das partículas fundamentais do Universo determinam quando e em que condições elas podem ser criadas. Quanto mais massiva é uma partícula, menos tempo ela pode ser criada espontaneamente no início do Universo. As propriedades das partículas, campos e espaço-tempo são todas necessárias para descrever o Universo que habitamos. (FIG. 15-04A DE UNIVERSE-REVIEW.CA )

Pense em qualquer partícula e como ela pode interagir com outra. Um elétron, por exemplo, pode interagir com outro elétron. Tem uma carga fundamental associada a ela, bois , e uma massa fundamental, eu . Os elétrons se atrairão gravitacionalmente um ao outro proporcionalmente à força da força gravitacional, G , e se repelirão eletromagneticamente, inversamente proporcional à força da permissividade do espaço livre, ε0 . Existem outras constantes que também desempenham um papel importante no comportamento dessas partículas, como a velocidade da luz, c , e a constante fundamental associada às transições quânticas: a constante de Planck, h .

Mas os físicos não gostam de usar essas constantes quando descrevemos o Universo, porque essas constantes têm dimensões e unidades arbitrárias.

As constantes fundamentais da física, conforme relatado pelo Particle Data Group em 1986. Com algumas exceções notáveis, muito pouco mudou. (GRUPO DE DADOS DE PARTÍCULAS / LBL / DOE / NSF)

Não há importância inerente a uma unidade como um metro, um quilograma ou um segundo. Poderíamos trabalhar em qualquer unidade que quiséssemos, e as leis da física se comportariam exatamente da mesma forma. Na verdade, podemos enquadrar tudo o que gostaríamos de saber sobre o Universo sem definir uma unidade fundamental de massa, tempo ou distância. Poderíamos descrever as leis da natureza, inteiramente, usando apenas constantes adimensionais.

Adimensional é um conceito simples: significa uma constante que é apenas um número puro, sem metros, quilogramas, segundos ou quaisquer outras dimensões neles. Se seguirmos esse caminho para descrever o Universo e corrigirmos as leis fundamentais e a condição inicial, devemos naturalmente obter todas as propriedades mensuráveis ​​que pudermos imaginar. Isso inclui coisas como massas de partículas, forças de interação, limites de velocidade cósmica e até mesmo as propriedades fundamentais do espaço-tempo.

As propriedades das partículas de tudo o que é conhecido no Universo nos dizem como elas irão interagir umas com as outras, enquanto o espaço-tempo subjacente descreve o estágio em que essas interações ocorrem. (LACELERATOR LABORATÓRIO NACIONAL DO SLAC)

Se quisermos descrever o Universo da forma mais simples e completa possível, são necessárias 26 constantes adimensionais para chegarmos lá. Este é um número bastante pequeno, mas não necessariamente tão pequeno quanto gostaríamos. Em um mundo ideal, pelo menos do ponto de vista da maioria dos físicos, gostaríamos de pensar que essas constantes surgem de algum lugar fisicamente significativo, mas nenhuma teoria atual as prevê.

Com tudo isso dito, aqui estão as 26 constantes que nos dão o Universo como o conhecemos.

Um diagrama de Feynman representando o espalhamento elétron-elétron, que requer a soma de todas as histórias possíveis das interações partícula-partícula. A ideia de que um pósitron é um elétron se movendo para trás no tempo surgiu da colaboração entre Feynman e Wheeler, mas a força da interação de espalhamento depende da energia e é governada pela constante de estrutura fina que descreve as interações eletromagnéticas. (DMITRI FEDOROV)

1.) A constante de estrutura fina , ou a força da interação eletromagnética. Em termos de algumas das constantes físicas com as quais estamos mais familiarizados, esta é uma razão da carga elementar (de, digamos, um elétron) ao quadrado da constante de Planck e da velocidade da luz. Mas se você juntar essas constantes, obterá um número adimensional! Nas energias atualmente presentes em nosso Universo, esse número chega a ≈ 1/137.036, embora a força dessa interação aumente à medida que a energia das partículas que interagem aumentam.

2.) A constante de acoplamento forte , que define a força da força que mantém prótons e nêutrons juntos. Embora a forma como a força forte funciona seja muito diferente da força eletromagnética ou da gravidade, a força dessa interação ainda pode ser parametrizada por uma única constante de acoplamento. Esta constante do nosso Universo, também, como a eletromagnética, muda de força com energia.

As partículas e antipartículas do Modelo Padrão já foram detectadas diretamente, com a última resistência, o bóson de Higgs, caindo no LHC no início desta década. Todas essas partículas podem ser criadas nas energias do LHC, e as massas das partículas levam a constantes fundamentais que são absolutamente necessárias para descrevê-las completamente. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

3-17.) As massas dos seis quarks, seis léptons e três bósons massivos . Este é um pouco de decepção. Temos quinze partículas no Modelo Padrão: os seis quarks, seis léptons, os bósons W, Z e Higgs, todos com uma massa de repouso substancial. Embora seja verdade que todas as suas antipartículas tenham massas de repouso idênticas, esperávamos que houvesse alguma relação, padrão ou teoria mais fundamental que desse origem a essas massas com menos parâmetros.

A trilha em forma de V no centro da imagem surge de um múon decaindo para um elétron e dois neutrinos. A trilha de alta energia com uma torção é evidência de um decaimento de partículas no ar. Ao colidir pósitrons e elétrons em uma energia específica e ajustável, pares múon-antimúon podem ser produzidos à vontade. A energia necessária para fazer um par múon/antimúon a partir de pósitrons de alta energia colidindo com elétrons em repouso é quase idêntica à energia das colisões elétron/pósitron necessárias para criar um bóson Z. (O ROADSHOW DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA ESCOCÊS)

Ainda pode haver, já que algumas relações estranhas quase perfeitas podem ser derivadas: colidir um pósitron a 45 GeV com um elétron a 45 GeV, e você terá a quantidade certa de energia para fazer um bóson Z; colidir um pósitron a 45 GeV com um elétron em repouso, e você terá a quantidade certa de energia para fazer um par múon/antimúon. Infelizmente, esta relação é aproximada e não exata; a energia para criar um Z-boson é mais próxima de 46 GeV; a energia para formar um par múon/antimúon é mais próxima de 44 GeV. Se existe uma verdadeira teoria subjacente que descreve nossas massas de partículas, ainda temos que descobri-la.

Como resultado, são necessárias quinze constantes para descrever as massas conhecidas. A única boa notícia é que podemos nos salvar de outra constante. Ao dimensionar esses parâmetros de massa para serem relativos à constante gravitacional, G , acabamos com 15 parâmetros adimensionais sem exigir um descritor separado da força da força gravitacional.

Os três quarks de valência de um próton contribuem para seu spin, mas também os glúons, quarks e antiquarks do mar e o momento angular orbital. A repulsão eletrostática e a força nuclear forte atrativa, em conjunto, são o que dão ao próton seu tamanho, e as propriedades da mistura de quarks são necessárias para explicar o conjunto de partículas livres e compostas em nosso Universo. (APS/ALAN STONEBRAKER)

18–21.) Os parâmetros de mistura de quarks . Temos seis tipos diferentes de quarks e, como existem dois subconjuntos de três, todos com os mesmos números quânticos, eles podem se misturar. Se você já ouviu falar de força nuclear fraca, decaimento radioativo ou violação de CP, esses quatro parâmetros – todos os quais devem ser (e foram) medidos – são necessários para descrevê-los.

Ainda não medimos as massas absolutas dos neutrinos, mas podemos dizer as diferenças entre as massas das medições de neutrinos solares e atmosféricos. Uma escala de massa de cerca de ~0,01 eV parece se ajustar melhor aos dados, e quatro parâmetros totais são necessários para entender as propriedades dos neutrinos. (HAMISH ROBERTSON, NO SIMPÓSIO CAROLINA DE 2008)

22–25.) Os parâmetros de mistura de neutrinos . Semelhante ao setor de quarks, existem quatro parâmetros que detalham como os neutrinos se misturam, uma vez que os três tipos de espécies de neutrinos têm o mesmo número quântico. Embora os físicos inicialmente esperassem que os neutrinos não tivessem massa e não precisassem de constantes adicionais, a natureza tinha outros planos. O problema dos neutrinos solares – onde apenas um terço dos neutrinos emitidos pelo Sol estavam chegando aqui na Terra – foi um dos maiores enigmas do século 20.

Só foi resolvido quando percebemos que os neutrinos:

• tinha massas muito pequenas, mas diferentes de zero,
• misturados,
• e oscilaram de um tipo para outro.

A mistura de quarks é descrita por três ângulos e uma fase complexa violadora de CP, e a mistura de neutrinos é descrita da mesma maneira. Embora todos os quatro parâmetros já tenham sido determinados para os quarks, a fase de violação de CP para os neutrinos permanece não medida.

Os diferentes destinos possíveis do Universo, com nosso destino real e acelerado mostrado à direita. Depois de um tempo suficiente, a aceleração deixará todas as estruturas galácticas ou supergalácticas ligadas completamente isoladas no Universo, à medida que todas as outras estruturas aceleram irrevogavelmente. Só podemos olhar para o passado para inferir a presença e as propriedades da energia escura, que requerem pelo menos uma constante, mas suas implicações são maiores para o futuro. (NASA e ESA)

26.) A constante cosmológica . Você pode ter ouvido que a expansão do Universo está se acelerando devido à energia escura, e isso requer mais um parâmetro – uma constante cosmológica – para descrever a quantidade dessa aceleração. A energia escura ainda pode ser mais complexa do que ser uma constante, caso em que também pode precisar de mais parâmetros e, portanto, o número pode ser maior que 26.

Se você der a um físico as leis da física, as condições iniciais do Universo e essas 26 constantes, eles podem simular com sucesso qualquer aspecto de todo o Universo. E, notavelmente, o que você obterá parece praticamente indistinguível do Universo que temos hoje, desde as menores escalas subatômicas até as maiores, cósmicas.

Bem, quase.

Mesmo com isso, ainda existem quatro quebra-cabeças que ainda podem exigir constantes adicionais para serem resolvidos. Estes são:

1. O problema da assimetria matéria-antimatéria. A totalidade do nosso Universo observável é composto predominantemente de matéria e não de antimatéria, mas não entendemos completamente por que isso é assim, ou por que nosso Universo tem a quantidade de matéria que possui. Este problema, conhecido como bariogênese, é um dos grandes problemas não resolvidos da física teórica, e pode exigir uma (ou mais) novas constantes fundamentais para descrever sua solução.
2. O problema da inflação cósmica. Esta é a fase do Universo que precedeu e configurou o Big Bang fez muitas novas previsões que foram verificadas observacionalmente, mas não estão incluídas nesta descrição. Muito provavelmente, quando entendermos melhor o que é isso, parâmetros adicionais terão que ser adicionados a esse conjunto de constantes.
3. O problema da matéria escura. Dado que quase definitivamente consiste em pelo menos um (e talvez mais) novo tipo de partícula massiva, é lógico que mais novos parâmetros precisarão ser adicionados. A complexidade da matéria escura determinará o número real de constantes necessárias, mas é seguro dizer que pelo menos uma nova, e possivelmente muitas mais, provavelmente serão necessárias.
4. O problema da forte violação do CP. Vemos violação de CP nas interações nucleares fracas e esperamos isso no setor de neutrinos, mas ainda não encontramos nas interações fortes, embora não seja proibido. Se existir, deve haver mais parâmetros; se não, provavelmente há um parâmetro adicional relacionado ao processo que o restringe.

As flutuações quânticas inerentes ao espaço, estendidas pelo Universo durante a inflação cósmica, deram origem às flutuações de densidade impressas no fundo cósmico de micro-ondas, que por sua vez deram origem às estrelas, galáxias e outras estruturas de grande escala no Universo hoje. Esta é a melhor imagem que temos de como todo o Universo se comporta, mas requer mais constantes do que as 26 que o Universo bem medido exige. (E. SIEGEL, COM IMAGENS DERIVADAS DA ESA/PLANCK E DA FORÇA-TAREFA INTERAGÊNCIA DO DOE/NASA/NSF NA PESQUISA CMB)

Nosso Universo é um lugar intrincado e incrível, e ainda assim nossas maiores esperanças de uma teoria unificada – uma teoria de tudo – buscam diminuir o número de constantes fundamentais de que precisamos. Na realidade, porém, quanto mais aprendemos sobre o Universo, mais parâmetros aprendemos para descrevê-lo completamente. É importante reconhecer onde estamos e o que é preciso, hoje, para descrever a totalidade do que é conhecido.

Mas ainda não sabemos tudo, por isso também é importante continuar buscando um paradigma mais completo. Se formos bem-sucedidos, isso nos dará absolutamente tudo o que o Universo tem nele, incluindo soluções para nossos mistérios atuais. A esperança de muitos, mas não uma exigência, é que o Universo acabe sendo mais simples do que sabemos atualmente. Neste momento, infelizmente, qualquer coisa mais simples do que o que foi apresentado aqui é simples demais para funcionar. Afinal, nosso Universo pode não ser elegante.

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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