• Começa com um estrondo

Pergunte a Ethan: Por que a natureza obedece às leis?

Não importa qual sistema físico consideremos, a natureza sempre obedece às mesmas leis fundamentais. Deve ser assim e, em caso afirmativo, por quê?

Principais conclusões

• Até onde sabemos, as mesmas leis fundamentais da natureza se aplicam a todos os objetos, em todos os momentos e em todos os locais, em todo o Universo.
• É fácil imaginar um Universo onde este não seja o caso: onde as leis ou constantes variam no tempo e no espaço, ou onde as coisas são simplesmente inconstantes e inconsistentes de momento a momento.
• No entanto, nosso Universo não parece ser assim, refletindo uma mudança relativamente recente em nossos pensamentos como seres humanos. Porque isto é assim; por que a natureza obedece às leis?

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Em todo o Universo, para onde quer que olhemos, vemos uma infinita variedade de estruturas que se formaram em todos os diferentes estágios da evolução cósmica. Com um tremendo número de planetas, estrelas, galáxias, aglomerados de galáxias e componentes da grande teia cósmica, não há dois objetos que encontramos que sejam idênticos. E, no entanto, as leis fundamentais que eles obedecem – do quântico ao cósmico – nunca parecem mudar. Em todo o Universo, a gravidade funciona da mesma maneira, os átomos exibem as mesmas transições quânticas e as constantes fundamentais permanecem inalteradas ao longo do tempo e do espaço.

Mas por que é assim? Há algo que o impeça de ser diferente? Essa é a consulta desta semana de nosso apoiador do Patreon Jeff Bonwick, que quer saber:

“por que a natureza obedece às leis? É um conceito relativamente recente porque a maior parte do que era observável para nossos ancestrais era macroscópico – tempestades, terremotos, vulcões – e parecia inteiramente caprichoso, capricho dos deuses. Agora entendemos que todos os fenômenos físicos seguem um punhado de equações simples, sem exceções, nunca... o que é bastante surpreendente. Mas por que?'

A física, embora seja muito boa em responder a perguntas de “como” as coisas são, é péssima em responder a questões de propósito, como “por que” as coisas são. Aqui estão as melhores declarações que podemos fazer sobre isso.

Animação esquemática de um feixe contínuo de luz sendo disperso por um prisma. Se você tivesse olhos ultravioleta e infravermelho, seria capaz de ver que a luz ultravioleta se curva ainda mais do que a luz violeta/azul, enquanto a luz infravermelha permaneceria menos curvada do que a luz vermelha. A velocidade da luz é constante no vácuo, mas diferentes comprimentos de onda da luz viajam em diferentes velocidades através de um meio. Se as constantes fundamentais que governam essas propriedades não fossem universais, teríamos assinaturas experimentais e observacionais para nos mostrar.

De muitas maneiras, é o fato mais notável de tudo sobre o Universo: que os constituintes, as leis e as constantes da natureza, em um nível fundamental, não mudam ao longo do espaço e do tempo. Sim, as estruturas que eles unem para formar mudam; as condições sob as quais elas existem e interagem umas com as outras mudam; os vários fenômenos que emergem de suas interações mudam. Os vários sistemas complexos que surgem são caóticos o suficiente para que, em todo o Universo, nunca dois sejam verdadeiramente idênticos.

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Mas os constituintes fundamentais (ou seja, as partículas/quanta), as leis que eles obedecem (ou seja, as interações entre eles) e as constantes que governam seus relacionamentos (ou seja, a “quantidade” de qualquer propriedade que examinamos) são todos verdadeiramente constante.

Se não fosse assim, a realidade como a conhecemos seria impossível. O fato de a realidade ser consistente de momento a momento e de local a local é a única coisa que permite que o Universo seja compreensível de maneira significativa. Para ilustrar isso, vejamos o que aconteceria se qualquer uma dessas três entidades – os constituintes, leis ou constantes – não fosse universalmente fixa.

À direita, estão ilustrados os bósons de calibre, que medeiam as três forças quânticas fundamentais do nosso Universo. Há apenas um fóton para mediar a força eletromagnética, existem três bósons mediando a força fraca e oito mediando a força forte. Isso sugere que o Modelo Padrão é uma combinação de três grupos: U(1), SU(2) e SU(3).

E se o conteúdo de partículas do Universo não fosse constante?

Imagine que qualquer uma das partículas que temos e conhecemos hoje, incluindo todas as partículas do Modelo Padrão, não fosse uma constante. Isso não significa “imagine que uma dessas partículas fosse instável”, mas sim “imagine que uma dessas partículas deixou de existir , e que ou nenhuma nova partícula veio para substituí-lo ou que uma ou mais novas partículas que não existem atualmente vieram a existir em seu lugar.”

Qual seria a consequência disso?

A resposta, gostemos ou não, é que tudo o que existe no Universo, como o conhecemos, fundamentalmente deixaria de existir e seria substituído por algo novo.

Se um dos quarks deixasse de existir, mesmo o esquivo quark top de vida curta, então prótons e nêutrons assumiriam propriedades fundamentais diferentes. A razão é sutil, mas fácil de entender. Dentro de cada hádron ligado – partículas compostas de quarks – vive um mar de partículas subatômicas. Sim, partículas como prótons e nêutrons são compostas de três quarks (de valência), todos unidos por glúons. Mas há um “mar” partícula-antipartícula dentro de cada um desses hádrons, onde esse mar é composto de todos os quarks e antiquarks surgindo e desaparecendo: exatamente o que dá a essas partículas as propriedades que elas têm.

Um próton não é apenas três quarks e glúons, mas um mar de partículas densas e antipartículas em seu interior. Quanto mais precisamente olharmos para um próton e quanto maiores forem as energias com as quais realizamos experimentos de espalhamento inelástico profundo, mais subestrutura encontramos dentro do próprio próton. Parece não haver limite para a densidade de partículas no interior, mas em energias suficientemente altas, prótons e nêutrons se desintegram para formar um plasma quark-glúon: seu próprio estado de matéria de alta energia.

Se qualquer um desses quarks, ou qualquer coisa que se ligue a eles, deixasse de existir ou fosse substituído por outra coisa, as propriedades fundamentais associadas a cada uma dessas partículas compostas não permaneceriam mais as mesmas.

Suas massas mudariam, seus momentos magnéticos mudariam, a estrutura dos núcleos ligados que formaram mudaria e, como resultado, as propriedades dos átomos individuais e a maneira como eles se ligariam mudariam fundamentalmente.

Se isso tivesse ocorrido em qualquer lugar dentro do Universo, seríamos capazes de detectá-lo. As estruturas ligadas que se formaram em todo o Universo, incluindo átomos individuais, não exibiriam mais:

• os mesmos níveis de energia quântica,
• as mesmas linhas de emissão e absorção,
• as mesmas transições de estrutura fina e estrutura hiperfina,
• ou as mesmas ligações moleculares.

No entanto, isso é precisamente o que não vemos. Para onde quer que olhemos, os espectros de átomos e moléculas, em seu próprio quadro de repouso, são idênticos no espaço e no tempo. A transição spin-flip do hidrogênio é sempre a mesma. Voltando aos primeiros sinais do Universo, e em todas as direções e locais que podemos observar, não há evidências de qualquer tipo de mudança desse tipo.

A transição atômica do orbital 6S em um átomo de césio-133, Delta_f1, é a transição que define o metro, o segundo e a velocidade da luz. Pequenas mudanças na frequência observada dessa luz ocorrerão com base no movimento e nas propriedades da curvatura espacial entre quaisquer dois locais. Se alguma constante fundamental mudasse, essas propriedades também mudariam.

E se as interações entre as partículas não fossem constantes?

Aqui em nosso Universo moderno, temos quatro forças fundamentais: gravitação, eletromagnetismo, mais as forças nucleares fortes e fracas. Se alguma dessas forças não fosse constante, é fácil imaginar como o Universo ficaria descontrolado.

Se a força gravitacional não fosse constante, não haveria como prever com segurança o movimento dos objetos na Terra, as órbitas dos corpos celestes dentro do nosso Sistema Solar, as trajetórias de voo de aviões, foguetes e naves espaciais, ou propriedades cósmicas como gravitacional. lente ou a expansão do Universo.

Se a força eletromagnética não fosse constante, as coisas ficariam malucas em escalas atômicas. Elétrons em órbita ao redor de núcleos atômicos veriam seus orbitais e níveis de energia mudarem, e as propriedades de ligação entre elétrons em diferentes átomos estariam disponíveis. Em outras palavras, cada molécula do Universo, se a força eletromagnética mudasse, alteraria suas propriedades de maneira fundamental. Se isso acontecesse onde existem entidades como seres humanos, seríamos imediatamente empurrados para uma configuração insustentável. Se ocorresse na Terra, a vida chegaria ao fim imediatamente.

Seja em um átomo, molécula ou íon, as transições de elétrons de um nível de energia mais alto para um nível de energia mais baixo resultarão na emissão de radiação em um comprimento de onda muito particular definido pelas constantes fundamentais. Se essas constantes mudassem, as propriedades dos átomos em todo o Universo também mudariam.

E se as forças nucleares fortes ou fracas mudassem, haveria consequências tão catastróficas que não viveríamos o suficiente para saber que elas ocorreram. Muitos núcleos atômicos que agora são estáveis ​​decairiam, mudando para uma configuração mais estável e causando uma tremenda liberação de energia no processo. Átomos ligados se tornariam ionizados, criando – talvez ironicamente — um “Universo de plasma” onde quer que essa transição tenha ocorrido.

Você pode começar a se perguntar sobre o fato de que as forças eletromagnética e fraca já foram unificadas na força eletrofraca, e você pode começar a perguntar sobre essa transição, imaginando quais efeitos ela teve no Universo.

Essas são boas perguntas! Acontece que os estados vinculados que conhecemos e (que a maioria de nós) amamos hoje, que permitem a criação de hádrons, núcleos atômicos, átomos, moléculas e muito mais, não foram possíveis durante a unificação eletrofraca. Partículas (exceto pode ser os neutrinos) ainda não tinham massa de repouso, pois a simetria de Higgs foi restaurada. A energia cinética inerente a cada partícula durante as condições quentes, densas e energéticas presentes nessas épocas – tanto no Big Bang quente quanto nos colisores de partículas – deve diminuir para que essa simetria “quebre” novamente para que tais estados ligados existam. Tudo com que interagimos, hoje, só poderia vir a existir por causa da forma atual do Modelo Padrão.

Variações na constante de estrutura fina em uma ampla variedade de sistemas quasares, classificados por redshift. Este último trabalho de 2020 aproveita quatro sistemas separados em alto redshift, mas não vê evidências líquidas de variação no tempo ou variação espacial estatisticamente significativa na própria constante.

E se as próprias constantes fundamentais não fossem constantes?

Este é um grande problema, e onde as pessoas estão explorando ativamente vários cenários sobre como as constantes fundamentais podem não ser, de fato, constantes . Há um grande problema, no entanto: sempre que você tentar alterar uma constante, incluindo:

• a massa de uma partícula,
• a força de acoplamento em qualquer interação,
• A velocidade da luz,
• constante de Planck,
• a constante gravitacional,
• ou a força da energia do vácuo quântico, ou seja, a energia do ponto zero do Universo,

você precisa ter certeza de que o esquema que está propondo não entrará em conflito com observações, medições e resultados experimentais que já temos em mãos. As transições quânticas ocorrem com a mesma energia, comprimento de onda e frequência específicos em todo o cosmos e em toda a nossa história cósmica. Os relógios atômicos restringiram as variações no “tique-taque” desses relógios a algo como 1 parte em um quintilhão (10 ¹⁸ ). E a estabilidade orbital de longo prazo do Sistema Solar nos últimos 4,5 bilhões de anos é suficiente para restringir as mudanças na gravitação em um grau extraordinário, entre outros.

A execução das três constantes de acoplamento fundamentais (eletromagnética, fraca e forte) com energia, no Modelo Padrão (esquerda) e com um novo conjunto de partículas supersimétricas (direita) incluídas. O fato de as três linhas quase se encontrarem é uma sugestão de que elas podem se encontrar se novas partículas ou interações forem encontradas além do Modelo Padrão, mas a execução dessas constantes está perfeitamente dentro das expectativas apenas do Modelo Padrão.

Mas há um tipo de variação que realmente ocorre: a força de interação de três das forças fundamentais – o eletromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca – depende da escala de energia em que ocorre. Por exemplo, a constante de estrutura fina, que dita a força da interação eletromagnética, é uma fração que é cerca de 1/137 hoje em nosso Universo de baixa energia. Mas nas condições alcançadas em colisores de partículas de alta energia, essa interação é mais forte: cerca de 1/128. Isso é entendido em termos da teoria quântica de campos e exigido por eles, mas não é intuitivo; é simplesmente uma consequência de quais “novos caminhos” para interações se tornam mais prováveis ​​em altas energias.

Uma coisa sobre a qual podemos estar relativamente certos, no entanto, é que a energia do ponto zero do Universo não mudou, pelo menos dentro do nosso cone de luz, desde o início do Big Bang quente. Tal mudança seria o cenário mais catastrófico de todos, já que o vácuo quântico teria que “túnel” para um estado de energia mais baixa. Ao fazê-lo, mudaria fundamentalmente tudo das constantes e interações em nosso Universo, destruindo inteiramente cada partícula composta no Universo. Onde quer que ocorresse, geraria uma “bolha de destruição” que se propagaria na velocidade da luz, destruindo tudo o que encontrasse ao ultrapassá-lo. Felizmente, não detectamos essa ocorrência, e nossa existência continuada neste Universo permanece possível.

Esta animação simplificada mostra como a luz muda para o vermelho e como as distâncias entre objetos não ligados mudam ao longo do tempo no Universo em expansão. Como as distâncias entre os objetos não são constantes com o passar do tempo, o Universo em expansão não possui invariância de tradução do tempo, e uma consequência disso é que a energia não é conservada em escala cósmica.

Você pode pensar que existem razões mais profundas pelas quais tais variações nas leis da física, seja através do espaço ou ao longo do tempo, são descartadas. Afinal, temos algumas simetrias e leis de conservação fundamentais no Universo, e a existência de uma surge como consequência da outra: é isso que O teorema de Noether provado há mais de 100 anos.

Mas isso é apenas um tipo de teorema “se-então”. Você não precisa mais conservar (ou manter constantes) as quantidades e entidades que suas simetrias perfeitas implicam se estiver disposto a violar a simetria subjacente. Mesmo uma pequena violação pode dar a você a margem de manobra necessária para desafiar essas quantidades conservadas.

• Você pode violar a invariância de translação espacial (ou seja, você pode ter coisas diferentes de um lugar para outro), e então o momento não é mais necessariamente conservado.
• Você pode violar a invariância rotacional (as coisas podem ser diferentes em diferentes direções), e então o momento angular não é mais conservado.
• Você pode violar a invariância da tradução do tempo (as coisas podem ser diferentes de momento a momento), e então a energia não é mais conservada.

Embora todas essas leis de conservação pareçam ser boas para quaisquer propriedades de partículas que conseguimos medir em laboratório, temos certeza de que a última não é obedecida em escala cósmica. No Universo em expansão, como as distâncias cósmicas variam de momento a momento entre objetos gravitacionalmente não ligados, mesmo algo tão fundamental quanto a energia não é estritamente conservado.

Antes de seu colapso, uma das tarefas científicas em que o telescópio Arecibo se destacou foi medir isótopos do mesmo elemento com as mesmas cargas nucleares, mas diferentes massas nucleares no Universo. Ao medir as propriedades espectrais de um íon hidroxila encontrado no espaço, eles mostraram que a constante de estrutura fina, α, bem como a razão de massa próton-elétron, não variou nos últimos 3 bilhões de anos.

Houve, de fato, pesquisas - e afirmações de que - a evolução do tempo ou diferenças espaciais de local para local em constantes fundamentais. A constante de estrutura fina varia no nível de ~ algumas partes em 1.000.000, tanto ao longo do tempo quanto ao longo das grandes distâncias cósmicas. Infelizmente, isso não foi robustamente reproduzível : as incertezas em cada medição que afirma detectar tal sinal são comparáveis ​​ao tamanho do efeito geral que foi reivindicado. No entanto, repetidas vezes, a cada nova afirmação, a confirmação robusta e independente nunca apareceu.

Uma das propriedades da física teórica, e depende de você se é uma falha ou uma característica, é que você nunca pode descartar completamente uma ideia que modifique suas leis: você só pode restringi-la. Tal efeito pode existir, mas se existir, está abaixo de nossos limites de detecção observacional e experimental, ou ocorreu em algum lugar do nosso Universo que está atualmente fora do nosso cone de luz e, portanto, não pode (ainda) ser visto por nós. É por isso que você nunca deve tratar a física – e digo isso como um físico teórico – como uma ciência puramente teórica. Nosso conhecimento do Universo é informado por experimentos e observações. Toda vez que empurramos essas fronteiras para um território anteriormente inexplorado, passamos a entender um pouco melhor nossa realidade.

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