• Começa Com Um Estrondo

Como o Universo mudaria se criássemos uma dimensão extra?

Procurando a Quarta Dimensão, de Salvador Dali, explora a busca da humanidade por uma dimensão adicional ao nosso Universo. Crédito da imagem: S. Dali, 1979.

Se não fossem apenas as três dimensões do espaço e uma do tempo, o que seria diferente?

Existe uma quinta dimensão, além daquela que é conhecida pelo homem. É uma dimensão tão vasta quanto o espaço e tão atemporal quanto o infinito. É o meio termo entre luz e sombra, entre ciência e superstição.
– Rod Serling

Imagine, se puder, a capacidade de se mover em uma direção extra: além de cima e para baixo, norte e sul ou leste e oeste. Que há uma direção independente além de nossas noções convencionais de eixos x, y e z. E vamos torná-lo mais interessante para você: imagine que você é o único no mundo que pode acessar essa quarta dimensão. Para alguém em nosso mundo tridimensional, você seria capaz de fazer algumas coisas incríveis que – de várias maneiras – faria você parecer divino:

• você poderia se teletransportar de um local para outro, desaparecendo em um lugar e reaparecendo em outro,
• você poderia reorganizar ou remover os órgãos internos de alguém, realizando uma cirurgia sem a necessidade de abrir alguém,
• ou você pode simplesmente remover alguém do Universo 3D que eles estão habitando, jogando-os para baixo em algum momento posterior em qualquer local (ou não) ao seu capricho.

Como isso é possível? É a mesma ideia como se você – uma criatura 3D – estivesse interagindo com um universo 2D.

Mickey Mouse Fun House Colorforms, um exemplo de universo 2D. Como criaturas 3D, podemos alterar sua realidade à vontade. Crédito da imagem: Jim, o fotógrafo / flickr.

Você seria tão divino quanto uma criança seria para um Universo cheio de formas coloridas ou adesivos em uma folha de papel. Da perspectiva de nossa (terceira) dimensão espacial extra, poderíamos alcançar dentro de qualquer criatura 2D e mover suas entranhas sem nunca cortá-las. Poderíamos virá-los do avesso ou inverter a esquerda e a direita. Poderíamos pegá-los de seu Universo e jogá-los em qualquer outro lugar.

E se nós mesmos, como criaturas 3D, decidíssemos entrar em seu Universo 2D, seríamos uma visão tão estranha, já que eles só poderiam ver fatias 2D de nós a qualquer momento. À medida que descemos através de sua fatia de espaço:

• Apareceríamos primeiro como duas pegadas em forma de pé,
• eventualmente dando lugar a dois círculos enquanto descíamos através de seu Universo,
• os círculos cresceriam até se juntarem para se tornarem uma elipse,
• então mais círculos apareceriam ao lado deles (dedos),
• crescendo em dois círculos maiores (mãos, braços) ao lado da elipse,
• então todos se fundindo em uma grande seção em nossos ombros,
• depois encolhendo, crescendo e desaparecendo em nossos pescoços e cabeças.

O cérebro e a cabeça de um humano adulto do sexo masculino, como mostrado em fatias de uma tomografia computadorizada. Fatias são tudo o que você poderia perceber em um universo 2D. Crédito da imagem: Dale Mahalko do Wikimedia Commons.

Felizmente, não há criaturas 4D habitando nosso Universo, pois elas parecem indistinguíveis de entidades divinas que desafiam a física. Mas e se, em vez de sermos criaturas de dimensões superiores em nosso Universo, o próprio Universo tivesse mais dimensões do que tem agora? Eu gostaria de salientar que isso é algo que é possível; foi demonstrado que o Universo poderia ter tido mais dimensões no passado .

O primeiro artigo a mostrar que uma dimensão adicional poderia ter existido no início do Universo e ser imperceptível hoje foi de Chodos e Detweiler em 1980. Crédito da imagem: Chodos e Detweiler, Phys. Rev. D., 21, 8 (1980).

É relativamente simples, no contexto da relatividade geral, construir espaços-tempos onde o número de grandes dimensões (ou seja, macroscópicas) muda com o tempo. Não só você poderia ter tido uma grande dimensão extra no passado, você pode ter uma no futuro, ou você pode até construir um espaço-tempo onde esse número oscila, ou fica maior e menor e maior novamente ao longo do tempo.

As implicações físicas são impressionantes: podemos ter um Universo onde uma quarta – ou extra – dimensão espacial começa a aparecer.

O análogo quadridimensional de um cubo 3D é um de 8 células (esquerda); o de 24 células (direita) não tem análogo 3D. Dimensões extras trazem consigo possibilidades extras. Crédito da imagem: Jason Hise com Maya e Macromedia Fireworks.

Como seria isso? Normalmente não pensamos nisso, mas as quatro forças fundamentais – gravidade, eletromagnetismo e as duas forças nucleares – só têm as propriedades e forças que têm porque existem no número de dimensões que nosso Universo tem. Se reduzíssemos ou aumentássemos o número de dimensões, mudaríamos a maneira como, por exemplo, as linhas de força do campo se espalham.

Isso seria catastrófico se o eletromagnetismo ou as forças nucleares fossem afetados imediatamente, pois átomos ou núcleos atômicos poderiam se desvincular, mudar drasticamente de tamanho ou criar uma bagunça absoluta para qualquer estrutura vinculada (como humanos) que dependam deles.

A força das forças, como a força eletromagnética, é incrivelmente importante para sistemas químicos e biológicos, para não mencionar sistemas físicos muito sensíveis. Pequenas mudanças podem ter enormes consequências, e uma quarta dimensão não levaria a mudanças pequenas. Crédito da imagem: Miniaplicativo 3-D Vector Fields de Paul Falstad.

Veja como isso funcionaria. Considere um átomo, onde os elétrons orbitam um núcleo carregado, ou o interior de um átomo no próprio núcleo atômico. Os núcleos e os átomos formados a partir deles são os blocos de construção de toda a matéria que compõe nosso mundo, e estão em escalas extremamente pequenas: Ångströms para átomos (10^-10 metros), femtômetros (10^-15 metros) para núcleos. Se você permitir que essas forças sangrem em outra dimensão espacial, o que elas podem fazer quando essa dimensão atingir um tamanho grande o suficiente, as leis de força que as governam mudariam.

Em geral, essas forças têm mais espaço para se espalhar, o que significa que ficam mais fracas com a distância mais rapidamente se houver mais dimensões. Para os núcleos, a mudança pode não ser tão ruim: os tamanhos dos núcleos seriam um pouco maiores, e alguns núcleos poderiam mudar em sua estabilidade, tornando-se radioativos ou tendo outros radioativos se tornando estáveis. Essa parte não é tão ruim. Mas o eletromagnetismo seria muito problemático.

Os orbitais atômicos em seu estado fundamental (canto superior esquerdo), juntamente com os próximos estados de energia mais baixos à medida que você avança para a direita e depois para baixo. Essas configurações fundamentais governam como os átomos se comportam e exercem forças interatômicas. Crédito da imagem: página da Wikipedia sobre orbitais atômicos.

Imagine o que aconteceria se, de repente, as forças que ligam os elétrons aos núcleos se tornassem mais fracas. Se houve uma mudança na força dessa interação. Você não pensa nisso, mas em um nível molecular, a única coisa que mantém você unido são as ligações relativamente fracas entre elétrons e núcleos. Se você mudar essa força, você muda as configurações de tudo. As enzimas desnaturariam; as proteínas mudariam de forma; neurônios controlados por ligantes não se encaixariam mais; O DNA não codificaria as moléculas que foi projetado para codificar.

Em outras palavras, se a força eletromagnética mudasse porque essa força entrasse em uma grande quarta dimensão espacial que atingisse a escala de Ångströms ou algo assim, os seres humanos teriam seus corpos imediatamente desligados e morreriam.

As células Q dependentes de ligantes são canais essenciais com múltiplas aplicações biológicas e são particularmente necessárias para o funcionamento do corpo humano. Com uma grande quarta dimensão, essas células deixariam de funcionar. Crédito da imagem: Biolin Scientific.

Mas nem toda esperança está perdida! Existem muitos modelos por aí – principalmente inspirados na teoria das cordas – onde essas forças, as eletromagnéticas e nucleares, estão confinadas a três dimensões. Somente a gravidade, então, seria capaz de navegar pela quarta dimensão. O que isso significaria para nós, à medida que a quarta dimensão surgisse e crescesse em tamanho (e, portanto, em seus efeitos), é que a gravidade começaria a sangrar nessa dimensão extra. E, portanto, os objetos experimentariam menos atração do que estamos acostumados.

Isso começaria a resultar em uma série de comportamentos estranhos.

Uma renderização gerada por computador de um asteróide de pilha de escombros e um campo de escombros ao redor. Baseado em um modelo 3-D do asteroide Itokawa de Doug Ellison, e com dados da NASA-JPL. Crédito da imagem: Kevin Gill / flickr.

Os asteróides, a princípio – aqueles que se mantêm frouxamente juntos e giram rapidamente – se separam, pois sua gravidade seria insuficiente para manter essas rochas e grãos em suas superfícies. Os cometas, quando se aproximavam do Sol, evaporavam mais rapidamente e desenvolviam caudas mais espetaculares. E se a quarta dimensão crescesse o suficiente, as forças gravitacionais na Terra cairiam tremendamente, fazendo com que nosso planeta crescesse, particularmente ao longo do equador.

As pessoas que vivem perto dos pólos se sentiriam em um ambiente de gravidade reduzida, mas as pessoas que vivem no equador correriam o risco de serem lançadas no espaço. Em um nível macro, a famosa lei gravitacional de Newton – a lei do inverso do quadrado – de repente se tornaria uma lei do cubo inverso, caindo muito mais rápido com a distância.

Se a dimensão crescesse tão grande quanto a distância Terra-Sol, de fato, tudo em nosso Sistema Solar se tornaria livre. Se isso durasse mais do que alguns dias do ano – mesmo que a gravidade voltasse ao normal pelas outras 50 semanas – nosso Sistema Solar se dissociaria completamente em apenas um século.

Se uma quarta dimensão fosse grande o suficiente, o sistema solar se dissociaria à medida que a lei da força gravitacional mudasse para tornar as órbitas elípticas ao redor do Sol fundamentalmente instáveis. Crédito da imagem: Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins/Instituto de Pesquisa do Sudoeste (JHUAPL/SwRI).

Teríamos períodos na Terra em que não apenas perceberíamos uma maneira extra de se mover pelo espaço, onde havia uma quarta direção, além de para cima e para baixo, esquerda e direita e para frente e para trás, mas onde as propriedades da gravitação mudariam tremendamente e não para melhor. Embora as competições de salto em altura e salto em distância nunca fossem as mesmas, as consequências para o Universo estável que tanto amamos seriam apocalípticas.

Uma dimensão extra, desde que permanecesse em escala suficientemente pequena, dificilmente seria perceptível, principalmente se o eletromagnetismo permanecesse confinado às nossas três dimensões. Mas permitir que essa quarta dimensão espacial cresça o suficiente para que você possa realmente se mover por ela? O próprio planeta – e possivelmente até as estrelas, galáxias e todo o Universo – estariam em perigo. Por esse breve período de tempo em que pudemos experimentá-lo, seria diferente de tudo o que o Universo já havia visto antes. Mas quase imediatamente, o Universo veria tudo nele destruído. Cuidado com o que você deseja.

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