A física teórica está desperdiçando nossas melhores mentes vivas no absurdo?

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 existe uma teoria que seja bonita demais para estar errada, se não estiver de acordo com o experimento.


A história da física está repleta de grandes ideias das quais você já ouviu falar, como o Modelo Padrão, o Big Bang, a Relatividade Geral e assim por diante. Mas também está cheio de ideias brilhantes das quais você provavelmente não ouviu falar, como o modelo Sakata, a teoria Technicolor, o modelo de estado estacionário. e Cosmologia Plasmática. Hoje, temos teorias que estão na moda, mas sem nenhuma evidência para elas: supersimetria, grande unificação, teoria das cordas e o multiverso.



Por causa da maneira como o campo está estruturado, atolado em uma bajulação de ideias, carreiras em física teórica de alta energia que se concentram nesses tópicos geralmente são bem-sucedidas. Por outro lado, escolher outros temas significa ir sozinho. A ideia de beleza ou naturalidade tem sido um princípio orientador da física há muito tempo e nos levou a este ponto. Em seu novo livro, Perdido em matemática , Sabine Hossenfelder argumenta convincentemente que continuar a aderir a esse princípio é exatamente o que está nos desviando.



O novo livro, Lost In Math, aborda algumas ideias incrivelmente grandes, incluindo a noção de que a física teórica está atolada no pensamento de grupo e a incapacidade de confrontar suas ideias com a dura luz da realidade, que fornece (até agora) nenhuma evidência para apoiá-las. . (Sabine Hossenfelder / Livros Básicos)

Imagine que você tenha um problema hipotético de escolher dois bilionários de uma lista e estimar a diferença em seus patrimônios líquidos. Imagine que eles são anônimos e que você não saberá qual vale mais, onde eles se classificam lista de bilionários da Forbes , ou quanto cada um realmente vale no momento.



Podemos chamar o primeiro PARA , o segundo B. , e a diferença entre eles C , Onde A — B = C . Mesmo sem nenhum outro conhecimento sobre eles, há uma coisa importante que você pode afirmar sobre C : Está muito improvável que seja muito, muito menor do que PARA ou B. . Em outras palavras, se PARA e B. ambos estão na casa dos bilhões de dólares, então é provável que C também estará na casa dos bilhões, ou pelo menos nas centenas de milhões.

Quando você tem dois números grandes, em geral, e tira 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 (co-fundadores do Stripe), valiam a mesma quantia para algumas centenas de dólares?

Não. Isso não seria surpreendente e expõe uma verdade sobre grandes números: em geral, se PARA é grande e B. é grande então A - B também será grande... mas não será se houver algum motivo para PARA e B. estão muito próximos. A distribuição de bilionários não é completamente aleatória, você vê, e então pode haver alguma razão subjacente para que essas duas coisas aparentemente não relacionadas sejam realmente relacionadas. (No caso dos Collisons ou Winklevosses, literalmente!)



As massas dos quarks e léptons do modelo padrão. A partícula do modelo padrão mais pesada é o quark top; o não-neutrino mais leve é ​​o elétron. Os próprios neutrinos são pelo menos 4 milhões de vezes mais leves que o elétron: uma diferença maior do que a existente entre todas as outras partículas. No outro extremo da escala, a escala Planck paira em um presságio de 10¹⁹ GeV. Hitoshi Murayama de http://hitoshi.berkeley.edu/)

Essa mesma propriedade é verdadeira na física. O elétron, a partícula mais leve que compõe os átomos que encontramos na Terra, é mais de 300.000 vezes menos massivo que o quark top, a partícula mais pesada do Modelo Padrão. Os neutrinos são pelo menos quatro milhões de vezes mais leves que o elétron, enquanto a massa de Planck – a chamada escala de energia natural do Universo – é cerca de 10¹⁷ (ou 100.000.000.000.000.000) vezes mais pesada que o quark top.

Se você não estivesse ciente de nenhuma razão subjacente pela qual essas massas deveriam ser tão diferentes, você assumiria que havia alguma razão para isso. E talvez haja um. Esse tipo de pensamento é conhecido como argumento de ajuste fino ou naturalidade. Em sua forma mais simples, afirma que deveria haver algum tipo de explicação física para o motivo pelo qual componentes do Universo com propriedades muito diferentes deveriam ter essas diferenças entre eles.

Quando as simetrias são restauradas (no topo do potencial), ocorre a unificação. No entanto, a quebra de simetrias, na base do morro, corresponde ao Universo que temos hoje, completo com novas espécies de partículas massivas. Pelo menos, para algumas aplicações. (Luis Álvarez-Gaumé & John Ellis, Nature Physics 7, 2–3 (2011))

No século 20, os físicos usaram argumentos de naturalidade com grande efeito. Uma maneira de explicar grandes diferenças de escala é impor uma simetria em altas energias e depois estudar as consequências de quebrá-la em energias mais baixas. Várias grandes ideias surgiram desse raciocínio, particularmente no campo da física de partículas. Os bósons de calibre na força eletrofraca surgiram dessa linha de pensamento, assim como o mecanismo de Higgs e, como foi confirmado há poucos anos, o bóson de Higgs. Todo o Modelo Padrão foi construído sobre esses tipos de simetrias e argumentos de naturalidade, e a natureza acabou concordando com nossas melhores teorias.

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. (E. Siegel / Além da Galáxia)

Outro grande sucesso foi a inflação cósmica. O Universo precisava ter sido muito bem ajustado nos estágios iniciais para produzir o Universo que vemos hoje. O equilíbrio entre a taxa de expansão, a curvatura espacial e a quantidade de matéria e energia dentro dela deve ter sido extraordinário; parece não ser natural. A inflação cósmica foi um mecanismo proposto para explicá-la, e desde então teve muitas de suas previsões confirmadas , tal como:

  • um espectro de flutuações quase invariável em escala,
  • a existência de superdensidades e subdensidades do super-horizonte,
  • com imperfeições de densidade que são de natureza adiabática,
  • e um limite superior para a temperatura atingida no início do Universo pós-Big Bang.

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. (E. Siegel, com imagens derivadas da ESA/Planck e da força-tarefa interagências DoE/NASA/NSF em pesquisa CMB)

Mas, apesar do sucesso desses argumentos de naturalidade, eles nem sempre dão frutos.

Há uma quantidade anormalmente pequena de violação de CP nos decaimentos fortes. A solução proposta (uma nova simetria conhecida como simetria Peccei-Quinn) teve zero de suas novas previsões confirmadas. A diferença na escala de massa entre a partícula mais pesada e a escala de Planck (o problema da hierarquia) foi a motivação para a supersimetria; novamente, teve zero de suas previsões confirmadas. A falta de naturalidade do Modelo Padrão levou a novas simetrias na forma da Grande Unificação e, mais recentemente, da Teoria das Cordas, que (novamente) não tiveram nenhuma de suas previsões confirmadas. E o valor anormalmente baixo, mas diferente de zero, da constante cosmológica levou às previsões de um tipo específico de multiverso que nem pode ser testado. Isso também, é claro, não está confirmado.

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. No rescaldo das corridas I e II no LHC, muito do espaço de parâmetros interessante para SUSY se foi, incluindo as versões mais simples que satisfazem os critérios 'WIMP Miracle'. (Claire David/CERN)

No entanto, ao contrário do passado, esses becos sem saída continuam a representar os campos nos quais os principais teóricos e experimentalistas se agrupam para investigar. Esses becos sem saída, que não deram frutos para literalmente duas gerações de físicos, continuam atraindo financiamento e atenção, apesar de possivelmente estarem completamente desconectados da realidade. Em seu novo livro, Perdido em matemática , Sabine Hossenfelder habilmente enfrenta essa crise de frente, entrevistando cientistas tradicionais, ganhadores do Prêmio Nobel e contrários (não malucos). Você pode sentir sua frustração e também o desespero de muitas das pessoas com quem ela fala. O livro responde à pergunta: deixamos o pensamento ilusório sobre quais segredos a natureza guarda nublar nosso julgamento? com um sonoro sim!

Uma assimetria entre os bósons e anti-bósons comuns a grandes teorias unificadas como a unificação SU(5) poderia dar origem a uma assimetria fundamental entre matéria e antimatéria, semelhante ao que observamos em nosso Universo. A estabilidade experimental do próton, no entanto, exclui as GUTs SU(5) mais simples. (E. Siegel)

O livro é uma leitura selvagem, profunda e instigante que faria qualquer pessoa razoável no campo que ainda é capaz de introspecção duvidar de si mesma. Ninguém gosta de enfrentar a possibilidade de ter desperdiçado suas vidas perseguindo um fantasma de uma ideia, mas ser um teórico é isso. Você vê algumas peças de um quebra-cabeça incompleto e adivinha qual é realmente o quadro completo; na maioria das vezes, você está errado. Talvez, nesses casos, todos os nossos palpites estejam errados. Em minha conversa favorita, ela entrevista Steven Weinberg, que se baseia em sua vasta experiência em física para explicar por que os argumentos de naturalidade são bons guias para físicos teóricos. Mas ele só consegue nos convencer de que eram boas ideias para as classes de problemas que antes conseguiam resolver. Não há garantia de que serão bons indicadores para os problemas atuais; na verdade, eles comprovadamente não foram.

Uma projeção 2-D de uma variedade de Calabi-Yau, um método popular de compactar as dimensões extras e indesejadas da Teoria das Cordas. A conjectura de Maldacena diz que o espaço anti-de Sitter é matematicamente dual às teorias de campo conforme em uma dimensão a menos. Isso pode não ter qualquer relevância para a física do nosso Universo. (Almoço do usuário do Wikimedia Commons)

Se você é um físico teórico de partículas, um teórico das cordas ou um fenomenólogo – principalmente se sofre de dissonância cognitiva – não vai gostar deste livro. Se você é um verdadeiro crente na naturalidade como a luz guia da física teórica, este livro irá irritá-lo tremendamente. Mas se você é alguém que não tem medo de perguntar se estamos fazendo tudo errado, a resposta pode ser um grande e desconfortável sim. Aqueles de nós que são físicos intelectualmente honestos vivem com esse desconforto há muitas décadas. No livro de Sabine, Perdido em matemática , esse desconforto agora é acessível ao resto de nós.


* — Divulgação completa: Ethan Siegel recebeu uma cópia de revisão de Perdido em matemática sem nenhum custo.

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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