O século XXI parece muito promissor no que tange à evolução científica e tecnológica, que certamente terá a Física como uma das protagonistas. Uma questão que se coloca é se o mistério que nem Einstein conseguiu decifrar será finalmente desvendado. Conheça-o!
O grande desafio
Os objetos de estudo mais fundamentais da Física são as partículas, e como elas interagem entre si. Ou seja, quais forças são responsáveis por atrair ou repelir elétrons, prótons, nêutrons, quarks etc. Tais interações são oriundas de apenas quatro forças, duas das quais são mais conhecidas pelo público geral: a da gravitação, que nos permite estar fixados ao solo, por exemplo, e a eletromagnética, que explica fenômenos ligados à corrente elétrica e ao magnetismo.
As outras duas forças só foram descobertas no século XX, e agem nos núcleos dos átomos. São as chamadas forças nucleares: a força forte, que mantém os prótons e nêutrons no núcleo atômico, e a força fraca, que explica, entre outras coisas, os processos de radioatividade.
As forças fraca, forte e eletromagnética são bem explicadas pelo chamado “modelo padrão da física de partículas elementares”, ou simplesmente pela “mecânica quântica”, teoria que permitiu explicar a estrutura da matéria. “O modelo padrão foi construído durante o século XX, e ficou completo, teórica e experimentalmente, após a descoberta do Bóson de Higgs”, explica a docente do Grupo de Física Teórica do Instituto de Física de São Carlos (IFSC/USP), Tereza C. da Rocha Mendes.
O “problema”, então, tem início aqui: embora explique a interação entre as forças fraca, forte e eletromagnética, o modelo padrão não conseguiu incluir a força gravitacional. Ou seja, as partículas elementares da matéria têm uma teoria quântica que as explica, enquanto a gravitacional, não. Esta, por sua vez, só pode ser explicada pela teoria da relatividade geral, formulada por Albert Einstein em 1915, cerca de dez anos antes da consolidação da mecânica quântica. “A força da gravidade, apesar de ser a mais conhecida, é a única que não possui uma teoria quântica para descrevê-la”, explica o docente do Grupo de Física Teórica do IFSC/USP, Daniel A. Turolla Vanzella. “Para qualquer fenômeno em que a gravidade é protagonista, isto é, quando há um acúmulo de massa muito grande num espaço muito pequeno, a relatividade geral é a teoria mais adequada”, diz o docente.
Tereza explica que as três forças de interação – eletromagnética, forte e fraca – são descritas pelo mesmo paradigma. É de se esperar, portanto, que a quarta também o seja. “O que a maior parte dos físicos quer é encontrar ‘furos’ no modelo padrão que possam levar a pistas de como incluir a gravidade nele”, opina a docente. “Na verdade, o objetivo é tentar unificar o microscópico ao macroscópico”.
Esse grande dilema, hoje considerado o maior desafio da física, não é novo. O próprio Einstein, quando formulou a teoria geral da relatividade, já buscava uma teoria capaz de unificar as quatro forças de interação. E não foi bem sucedido. “Muitos sucessores de Einstein também procuraram uma teoria quântica da gravidade, mas ainda não encontraram”, conta Daniel.
Dentre os pesquisadores descontentes com essa lacuna entre a relatividade geral e a mecânica quântica, alguns propuseram teorias para tentar explicar o, até o momento, inexplicável. Das várias tentativas, uma delas continua sendo estudada e, inclusive, defendida por alguns físicos: a teoria das supercordas. Segundo esta teoria, as partículas subatômicas (prótons, nêutrons e elétrons) são formadas por pequenos filamentos, parecidos com cordas. Assim, todo Universo seria formado por tais cordas que, conforme seu comprimento e vibração, criaram e definiram características individuais das partículas subatômicas, o que explicaria, por sua vez, a grande diversidade das partículas do Universo. “Alguns físicos acreditam que a teoria das supercordas será a explicação de tudo que temos no Universo. Penso que essa é uma teoria injustificada até o momento e que dificilmente trará a resposta para o que pesquisadores dessa área buscam”, opina Daniel.
E isso tudo para quê?
Para aqueles de fora do meio acadêmico, ou de áreas distintas da física, essa pesquisa pode parecer perda de tempo e dinheiro. O Grande Colisor de Hádrons (LHC), acelerador de partículas localizado no maior laboratório de física de partículas do mundo, o CERN, teve um custo estimado de oito bilhões de euros. “É natural que as pessoas perguntem para quê serve o LHC e todos os experimentos realizados nele, uma vez que há tanto dinheiro e recursos humanos investidos no experimento”, diz Tereza.
No entanto, os conhecimentos e benefícios gerados pelos milhares de pesquisadores no LHC são de suma importância e beneficiam a todos, direta e cotidianamente. Se você não consegue imaginar sua vida sem a Internet, agradeça ao ex-funcionário do CERN, o físico britânico, Tim Berners-Lee que, na década de 1980, deparou-se com cientistas nervosos por não conseguirem compartilhar rapidamente dados e informações com seus colegas em outras partes do mundo. Para resolver o problema, Berners criou o projeto World Wide Web e matou a charada.
Sem pensar nos benefícios imediatos, as teorias como a da relatividade geral ou mecânica quântica são essenciais para o entendimento sobre o nascimento do Universo e, por sua vez, do funcionamento da natureza. “Tem-se a esperança que uma teoria quântica da gravidade possa explicar coisas como o que existe dentro de um buraco negro ou como realmente o Universo teve início”, diz Daniel. “Conseguimos descrever a evolução do Universo nos últimos 13 bilhões de anos, mas o ponto que o deu origem, ou não, ainda não é entendido”.
Resultados e aplicações do já estabelecido
Ainda que uma teoria unificadora não tenha sido atingida, a mecânica quântica e a teoria da relatividade já têm aplicações com grande impacto na sociedade. Podemos nos surpreender, por exemplo, ao saber que mesmo uma teoria tão abstrata como a da relatividade seja essencial para uma aplicação do nosso cotidiano: o GPS (da sigla em inglês para “global positioning system”). Para obter a precisão que se consegue hoje no GPS, é necessário medir os tempos de envio e retorno de sinais da Terra para os satélites em órbita também com grande precisão. Isso é feito com relógios atômicos instalados nos satélites. Como estes satélites estão a uma grande distância da Terra e com velocidade consideravelmente alta, é necessário fazer correções relativísticas, tanto empregando a relatividade restrita como a relatividade geral. Para se ter uma ideia, sem essas correções, o GPS erraria no posicionamento do aparelho em alguns quilômetros dentro de uma semana.
Mas foi a mecânica quântica que trouxe a revolução tecnológica no século XX. Ao explicar como a matéria é constituída, e como interage com radiações, essa teoria permitiu conceber aplicações para materiais abundantes na natureza e mesmo a criação de novos materiais. Exemplos marcantes são o uso dos semicondutores para a indústria da microeletrônica que produz computadores e celulares cada vez mais eficientes e 
menores, e os avanços em medicina com novas terapias e métodos de diagnóstico.
Segundo o docente do Grupo de Polímeros do IFSC, Osvaldo Novais de Oliveira Jr., os desafios que se colocam para os pesquisadores que buscam novos usos para os materiais são de natureza distinta daqueles enfrentados por físicos à procura de uma teoria unificadora para mecânica quântica e relatividade. “Todas as evidências apontam para a validade geral da mecânica quântica. Não esperamos encontrar novas leis ao estudar os materiais para novas aplicações. O desafio está em empregar a mecânica quântica para materiais orgânicos, principalmente a matéria viva, devido à sua complexidade. São necessários métodos computacionais, e nossa capacidade computacional, hoje, permite tratar apenas problemas relativamente simples. Apesar de quase um século da mecânica quântica, só conseguimos prever resultados com precisão para um número ínfimo de sistemas”, diz Osvaldo.
Com esse cenário elucidado, não se sabe quando o “quebra-cabeça” relatividade geral/mecânica quântica será encaixado, se for encaixado. Mas, para os apaixonados pela ciência, fica o pensamento da própria Tereza Mendes, que afirma que “o bonito da pesquisa básica é isso: você faz porque ela é importante, mesmo não sabendo quando nem como essa importância aparecerá”.
Assessoria de Comunicação
