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A simetria é linda, mas a assimetria é o motivo pelo qual o Universo e a vida existem

O Universo tem assimetrias, mas isso é bom. As imperfeições são essenciais para a existência das estrelas e até da própria vida.

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Principais conclusões

Os físicos teóricos são apaixonados pela simetria, e muitos acreditam que as equações devem refletir essa beleza.
Equações matemáticas construídas em torno da simetria previram corretamente a existência de antimatéria.
Mas há perigo em igualar verdade e beleza com simetria. Nem os organismos vivos nem o próprio Universo são perfeitamente simétricos.

Nós, canhotos, somos uma minoria entre os humanos, aproximadamente uma proporção de 1:10 . Mas não se engane: o Universo ama o canhoto, desde as partículas subatômicas até a própria vida. De fato, sem essa assimetria fundamental na Natureza, o Universo seria um lugar muito diferente – sem graça, cheio de radiação e sem estrelas, planetas ou vida. Ainda assim, há uma estética predominante nas ciências físicas que busca a perfeição matemática – expressa como simetria – como o modelo para a Natureza. E, como muitas vezes acontece, nos perdemos em uma dualidade falsamente fabricada de ter que escolher campos: você é simetria ou é um iconoclasta imperfeito? (O leitor interessado pode verificar meu livro sobre isso , onde abordo muito do que se segue.)

Antimatéria: por que os físicos amam a simetria

Todos nós amamos A famosa linha de Keats , Beleza é verdade, beleza de verdade. Mas se você insiste em equiparar a beleza de Keats com a simetria matemática como um caminho para encontrar a verdade sobre as leis naturais – algo bastante comum na física teórica – o perigo é que você relacione a simetria com a verdade de tal forma que a matemática que usamos representar o Universo através da física deve refletir a simetria matemática: o Universo é lindamente simétrico, e as equações que usamos para descrevê-lo devem revelar essa bela simetria. Só então podemos nos aproximar da verdade.

Citando o grande físico Paul Dirac , É mais importante ter beleza em uma equação do que fazer com que ela se encaixe no experimento. Se algum outro físico menos conhecido dissesse isso, provavelmente seria ridicularizado pelos colegas, considerado um platônico cripto-religioso, ou um charlatão. Mas isso era Dirac, e sua bela equação, construída sobre conceitos de simetria, previu a existência de antimatéria, o fato de que cada partícula de matéria (como elétrons e quarks) tem uma antipartícula companheira. Essa é uma conquista realmente incrível – a matemática da simetria, aplicada a uma equação, guiou os humanos a descobrir todo um reino paralelo da matéria. Não admira que Dirac fosse tão dedicado ao deus da simetria. Isso guiou seu pensamento para uma descoberta surpreendente.

Observe que a antimatéria não significa nada tão excêntrico quanto parece. As antipartículas não sobem em um campo gravitacional. Eles têm algumas de suas propriedades físicas invertidas, principalmente a carga elétrica. Assim, a antipartícula do elétron carregado negativamente, chamada de pósitron, tem uma carga elétrica positiva.

Devemos nossa existência à assimetria

Mas aqui está o problema que Dirac não conhecia. As leis que ditam o comportamento das partículas fundamentais da Natureza predizem que matéria e antimatéria devem ser igualmente abundantes, ou seja, devem aparecer na proporção de 1:1. Para cada elétron, um pósitron. No entanto, se essa simetria perfeita prevalecesse, frações de segundo após o Big Bang, matéria e antimatéria deveriam ter se aniquilado em radiação (principalmente fótons). Mas não foi isso que aconteceu. Cerca de uma em um bilhão (aproximadamente) partículas de matéria sobreviveu como um excesso . E isso é bom, porque tudo o que vemos no Universo – as galáxias e suas estrelas, os planetas e suas luas, a vida na Terra, todo tipo de aglomerado de matéria, viva e não viva – veio desse pequeno excesso, dessa assimetria fundamental entre matéria e antimatéria.

Ao contrário da esperada simetria e beleza do cosmos, nosso trabalho nas últimas décadas mostrou que as leis da Natureza não se aplicam igualmente à matéria e à antimatéria. Que mecanismo poderia ter criado esse pequeno excesso, essa imperfeição que é responsável por nossa existência, é uma das maiores questões em aberto na física de partículas e na cosmologia.

Na linguagem das simetrias internas (internas como na mudança de uma propriedade de uma partícula) e externas (externas como a rotação de um objeto), existe uma operação de simetria interna que transforma uma partícula de matéria em uma de antimatéria. A operação é chamada de conjugação de carga e é representada pela letra maiúscula C. A assimetria matéria-antimatéria observada implica que a Natureza não apresenta simetria de conjugação de carga: em alguns casos, as partículas e suas antipartículas não podem ser transformadas uma na outra. Especificamente, a simetria C é violada nas interações fracas, a força responsável pelo decaimento radioativo. Os culpados são os neutrinos, a mais estranha de todas as partículas conhecidas, carinhosamente chamadas de partículas fantasmas devido à sua capacidade de atravessar a matéria praticamente sem perturbações. (Há cerca de um trilhão de neutrinos por segundo vindo do Sol e passando por você agora.)

Para ver por que a simetria C é violada pelos neutrinos, precisamos de mais uma simetria interna chamada paridade, representada pela letra P. Uma operação de paridade transforma um objeto em sua imagem especular. Por exemplo, você não é invariante de paridade. Sua imagem espelhada tem o coração do lado direito. Para partículas, a paridade está relacionada a como elas giram, como piões. Mas as partículas são objetos quânticos. Isso significa que eles não podem simplesmente girar com qualquer quantidade de rotação. Seu giro é quantizado, o que significa que eles só podem girar de algumas maneiras, como discos de vinil antiquados que podem ser tocados em apenas três velocidades: 33, 45 e 78 rpm. A menor quantidade de spin que uma partícula pode ter é uma velocidade de rotação. (Muito grosseiramente, é como um pião girando para cima. Visto de cima, pode girar no sentido horário ou anti-horário.) Elétrons, quarks e neutrinos são assim. Dizemos que eles têm spin 1/2, e pode ser +1/2 ou -1/2, as duas opções correspondentes às duas direções de rotação. Uma boa maneira de ver isso é enrolar a mão direita com o polegar apontando para cima. No sentido anti-horário é rotação positiva; no sentido horário é o spin negativo.

Aplicando a operação C em um neutrino canhoto, devemos obter um anti-neutrino canhoto. (Sim, mesmo que o neutrino seja eletricamente neutro, ele tem sua antipartícula, também eletricamente neutra.) O problema é que não existem antineutrinos canhotos na Natureza. Existem apenas neutrinos canhotos. As interações fracas, as únicas interações que os neutrinos sentem (além da gravidade), violam a simetria da conjugação de cargas. Isso é problema para os amantes da simetria.

Violação de CP: assimetria vence

Mas vamos um passo além. Se aplicarmos Ambas C e P (paridade) para um neutrino canhoto, devemos obter um anti-neutrino destro: o C vira o neutrino em um anti-neutrino, e o P vira o canhoto em destro. E sim, os anti-neutrinos são destros! Parece que estamos com sorte. As interações fracas violam C e P separadamente, mas aparentemente satisfazem a operação de simetria CP combinada. Na prática, isso significa que as reações envolvendo partículas destras devem ocorrer na mesma velocidade que as reações envolvendo antipartículas destras. Todos ficaram aliviados. Havia esperança de que a natureza fosse CP-simétrica em todas as interações conhecidas. A beleza estava de volta.

A empolgação não durou muito. Em 1964, James Cronin e Val Fitch descobriram uma pequena violação da simetria CP combinada nos decaimentos de uma partícula chamada kaon neutro, representada como K⁰. Essencialmente, K.⁰e suas antipartículas não decaem na mesma taxa que uma teoria CP-simétrica prevê que deveriam. A comunidade física ficou chocada. A beleza se foi. Novamente. E nunca se recuperou. Violação de PC é um fato da Natureza.

Tantas assimetrias

A violação de CP tem uma implicação ainda mais profunda e misteriosa: as partículas também escolhem uma direção de tempo preferida. A assimetria do tempo, marca registrada de um Universo em expansão, acontece também no nível microscópico! Isso é enorme. Tão grande, na verdade, que merece seu próprio ensaio em breve.

E aqui está outro fato explosivo sobre a imperfeição que abordaremos. A vida também é entregue: os aminoácidos e açúcares dentro de todas as criaturas vivas, de amebas a uvas, crocodilos e pessoas, são canhotos e destros, respectivamente. No laboratório, fazemos misturas 50:50 de moléculas para canhotos e destros, mas não é isso que vemos na Natureza. A vida prefere, quase exclusivamente, aminoácidos canhotos e açúcares canhotos. Novamente, esta é uma enorme questão científica aberta, na qual passei algum tempo trabalhando. Vamos lá na próxima.

Neste artigo matemática física de partículas Espaço e Astrofísica