A Luta pela Alma da Ciência

A teoria das cordas, as ideias do multiverso e outras da física moderna são potencialmente testáveis. Em uma reunião histórica em Munique, cientistas e filósofos se perguntaram: devemos confiá-los de qualquer maneira?

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Por Natalie Wolchover
Publicado no Quanta Magazine

Os físicos tipicamente pensam que “precisam de filósofos e historiadores da ciência assim como os pássaros precisam de ornitólogos”, o Prêmio Nobel David Gross disse isso a uma sala cheia de filósofos, historiadores e físicos na semana passada em Munique, Alemanha, parafraseando Richard Feynman.

Mas tempos desesperados exigem medidas desesperadas.

A física fundamental enfrenta um problema, explicou Gross – um terrível o suficiente para chamar perspectivas de forasteiros. “Eu não tenho certeza de que nós não precisamos uns dos outros neste momento do tempo”, disse ele.

Era a sessão de abertura de um seminário de três dias, realizado em uma sala de aula ao estilo românico da Ludwig-Maximilians-Universität (LMU, de Munique), um ano após George Ellis e Joe Silk, dois físicos de cabelos brancos agora sentados na primeira fila, foram chamados para tal conferência em um artigo de opinião na Nature. Cem alunos haviam descido no terreno com uma tradição comemorada tanto na física quanto na filosofia da ciência para travar o que Ellis e Silk declararam ser uma “batalha pelo coração e alma da física”.

A crise, como Ellis e Silk contam, é a natureza descontroladamente especulativa das teorias da física moderna, que dizem refletir uma partida perigosa no método científico. Muitos teóricos de hoje – entre eles, os proponentes-chefe da teoria das cordas e a hipótese do multiverso – parecem convencidos de suas ideias, alegando que elas são lindas ou logicamente convincentes, apesar da impossibilidade de testá-las. Ellis e Silk acusaram esses teóricos de “mover os postes” da ciência e borrar a linha entre a física e a pseudociência. “O aval da ciência deve ser atribuído apenas a uma teoria que é testável”, Ellis e Silk escreveram, desqualificando assim a maioria das principais teorias dos últimos 40 anos. “Só então poderemos defender a ciência de tal ataque”.

Eles estavam reagindo, em parte, às ideias controversas de Richard Dawid, um filósofo austríaco cujo livro de 2013 String Theory and the Scientific Method identificou três tipos de evidências “não-empíricas” que Dawid diz poder ajudar a construir a confiança em teorias científicas com dados empíricos ausentes. Dawid, pesquisador da LMU de Munique, respondeu de Ellis e Silk deram gritos de guerra e reuniu acadêmicos distantes para ancorar todos os lados do argumento para o evento de alto nível na semana passada.

David Gross - Físico Teórico da University of California, Santa BarbaraConference in LMU : Why trust in Theory. Audience during the speech of Helge Kragh about Fundamental Theories and Epistemic Shifts: Can History of Science serve as a Guide. David Gross, on the middle, he was awarded the 2004 Nobel Prize in Physics for their discovery of asymptotic freedom.
David Gross – Físico Teórico da University of California, Santa Barbara

Gross, um defensor da teoria das cordas que ganhou o Prêmio Nobel de física em 2004 por seu trabalho sobre a força de colisão entre átomos, deu início ao seminário ao afirmar que o problema não reside com os físicos, mas com um “fato da natureza” – que temos nos aproximado, inevitavelmente, durante quatro séculos.

A busca obstinada de uma teoria fundamental que rege todas as forças da natureza requer que os físicos inspecionem o universo cada vez mais de perto – examinem, por exemplo, os átomos em substância, os prótons e nêutrons dentro desses átomos, e os quarks dentro desses prótons e nêutrons. Mas esse Zoom nas demandas com cada vez mais energia, e a dificuldade e o custo de construção de novas máquinas, aumenta exponencialmente em relação à exigência de energia, disse Gross. “Não tem sido um grande problema nos últimos 400 anos, onde passamos de centímetros para milionésimos de milionésimo de milionésimo de um centímetro” – com o poder de resolução atual do Large Hadron Collider (LHC), na Suíça, ele disse. “Temos ido muito longe, mas essa energia ao quadrado está nos matando”.

Quando nos aproximamos dos limites práticos da nossa capacidade de sondar princípios subjacentes da natureza, as mentes dos teóricos se desviam muito além das mais ínfimas distâncias observáveis e energias mais altas possíveis. Fortes indícios indicam que os constituintes verdadeiramente fundamentais do universo mentem em uma escala de distância de 10 milhões de bilhões de vezes menor do que o poder de resolução do LHC. Este é o domínio da natureza que a teoria das cordas, um candidato á “teoria de tudo”, tenta descrever. Mas é um domínio que ninguém tem a menor ideia de como acessar.

O problema também dificulta a busca dos físicos em entender o universo em uma escala cósmica: Nenhum telescópio nunca vai gerenciar o passado do horizonte cósmico do nosso universo e vislumbrar os outros universos postulados pela hipótese do multiverso. No entanto, as teorias modernas da cosmologia conduzem logicamente à possibilidade de que o nosso universo é apenas um de muitos.

Se a culpa é dos teóricos por se deixarem levar, ou da natureza por enterrar seus segredos, a conclusão é a mesma: Teoria se desvincula da experiência. Os objetos de especulação teórica estão agora muito longes, muito pequenos, muito enérgicos ou demasiado longes no passado para alcançar ou descartar com os nossos instrumentos terrestres. Então, o que está sendo feito? Como Ellis e Silk escreveram: “Físicos, Filósofos e outros cientistas devem forjar uma nova narrativa para o método científico que possa lidar com o escopo da física moderna.”

“A questão para enfrentar o próximo passo”, disse Gross, “não é uma ideologia, mas uma estratégia: Qual é a maneira mais útil de fazer ciência?”

Ao longo de três dias de inverno ameno, os estudiosos lutaram com o significado de teoria, de confirmação e de verdade; como a ciência funciona; e se, neste dia e idade, a filosofia deve orientar a pesquisa na física ou o contrário. Ao longo de tais pressões e discussões intermináveis, um grau de consenso tomou forma.

Regras do jogo

Ao longo da história, as regras da ciência têm sido escritas, apenas para ser revistas e se adequar a evolução das circunstâncias. Os antigos acreditavam que podiam raciocinar seu caminho em direção à verdade científica. Então, no século 17, Isaac Newton acendeu a ciência moderna rompendo com essa filosofia “racionalista”, adotando em vez disso uma visão “empirista” que o conhecimento científico deriva apenas da observação empírica. Em outras palavras, uma teoria deve ser comprovada experimentalmente para entrar no livro de conhecimento.

Mas quais requisitos devem uma teoria não comprovada reunir para ser considerada científica? Os teóricos orientam o empreendimento científico por sonhar com as ideias a serem colocadas à prova e, em seguida, a interpretação dos resultados experimentais; o que mantém os teóricos dentro dos limites da ciência?

Hoje, a maioria dos físicos julgam a solidez de uma teoria usando a regra de ouro do filósofo Austríaco-Britânico Karl Popper. Na década de 1930, Popper traçou uma linha entre a ciência e a não-ciência comparando o trabalho de Albert Einstein com o de Sigmund Freud. A teoria de Einstein da relatividade geral, que lançou a força da gravidade como curvas no espaço e no tempo, fez previsões arriscadas – aquelas que, se não tivessem conseguido tão brilhantemente, teriam falhado miseravelmente, falsificando a teoria. Mas a psicanálise freudiana era escorregadia: Qualquer culpa poderia ser o trabalho de sua mãe em seu diagnóstico. A teoria não era falsificável, e por isso, como Popper decide, não era ciência.

Paul Teller (na Janela), Filósofo e Professor Emérito da University of California, Davis
Paul Teller (na Janela), Filósofo e Professor Emérito da University of California, Davis

Os críticos acusam a teoria das cordas e a hipótese do multiverso, assim como a inflação cósmica – a principal teoria de como o universo começou – de cair no lado errado da linha de demarcação de Popper. Emprestando o título do livro de 2006 sobre a teoria das cordas, o físico da University of Columbia Pedro Woit diz que essas ideias “nem mesmo dão errado”, como dizem os críticos. Em seu editorial, Ellis e Silk invocaram o espírito de Popper: “A teoria deve ser falsificável para ser científica”.

Mas, como muitos em Munique ficaram surpresos ao saber, o Refutabilismo já não é a filosofia reinante na ciência. Massimo Pigliucci, um filósofo do Centro de Pós-Graduação da Universidade da Cidade de Nova York, ressaltou que a falseabilidade é totalmente inadequada como um separador da ciência e não-ciência, como o próprio Popper reconhece. A Astrologia, por exemplo, é falsificável – na verdade, tenha sido falsificada ad nauseam – e ainda assim não é ciência. A Preocupação de físicos com Popper “é realmente algo que precisa parar”, disse Pigliucci. “Nós precisamos falar sobre a atual filosofia da ciência. Nós não falamos sobre algo que era atual há 50 anos atrás”.

Hoje em dia, como vários filósofos do seminário disseram, o falsificacionismo popperiano foi suplantado pela teoria da confirmação Bayesiana, ou bayesianismo, uma estrutura moderna com base na teoria da probabilidade do século 18 do estatístico Inglês e ministro Thomas Bayes. O Bayesianismo permite o fato de que teorias científicas modernas tipicamente façam reivindicações muito além do que pode ser observado diretamente – ninguém jamais viu um átomo – e assim as teorias de hoje, muitas vezes, resistem a uma falsa dicotomia – não-falseável. Em vez disso, a confiança em uma teoria muitas vezes cai em algum lugar ao longo de um continuum, deslizando para cima ou para baixo entre 0 e 100 por cento, com novas informações estando disponíveis. “O quadro Bayesiano é muito mais flexível do que a teoria de Popper”, disse Stephan Hartmann, um filósofo Bayesiano da LMU. “Ele também se conecta muito bem com a psicologia e o raciocínio.”

Gross concordou, dizendo que, ao saber sobre a teoria da confirmação Bayesiana do livro de Dawid, ele sentiu “um pouco como o personagem de Molière, que disse: ‘Oh meu Deus, eu tenho falado prosa em toda a minha vida!’ “

Outra vantagem do bayesianismo, Hartmann disse, é que ele está permitindo que filósofos como Dawid descubram “como esta evidência empírica não se encaixa, ou pode se encaixar”.

Outro tipo de evidência

Dawid, um homem de 49 anos, bem-educado e sorridente com cabelo marrom disquete, começou sua carreira como um físico teórico. No final de 1990, durante uma temporada na Universidade da Califórnia, em Berkeley, em um centro de pesquisa da teoria das cordas, Dawid ficou fascinado por quão confiante muitos teóricos das cordas estavam e que pareciam estar no caminho certo, apesar da completa falta de suporte empírico da teoria das cordas. “Por que eles confiam na teoria?”, Lembra ele, perguntando. “Será que eles não têm diferentes formas de pensar sobre ela do que a compreensão canônica?”

A teoria das cordas diz que as partículas elementares têm dimensionalidade quando vistas de modo fechado, aparecendo como loops (ou “cordas”) e membranas em maior nível de zoom da natureza. De acordo com a teoria, dimensões extras também materializam no tecido do próprio espaço. Os diferentes modos de vibração das cordas neste espaço de dimensão superior dá origem ao espectro das partículas que compõem o mundo observável. Em particular, um dos modos de vibração se adapta ao perfil do “gráviton” – a partícula hipotética associada com a força da gravidade. Assim, a teoria das cordas unifica a gravidade, agora descrita pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein, com o resto da física de partículas.

No entanto, a teoria das cordas, que tem suas raízes em ideias desenvolvidas na década de 1960, fez com que não houvessem predições testáveis sobre o universo observável. Para entender por que tantos pesquisadores confiam nela de qualquer maneira, Dawid inscreveu-se em algumas classes na filosofia da ciência, e ao descobrir o quão pouco estudo tinha sido dedicado ao fenômeno, ele trocou de campo.

No início de 2000, ele identificou três argumentos não-empíricos que geram confiança na teoria das cordas entre seus proponentes. Em primeiro lugar, parece haver apenas uma versão da teoria das cordas capaz de alcançar a unificação de uma forma consistente (embora tenha muitas representações matemáticas diferentes); Além disso, nenhuma “teoria de tudo” ou outra capaz de unificar todas as forças fundamentais foi encontrada, apesar de um imenso esforço. (A abordagem rival chamada Gravidade Quântica em loop descreve a gravidade em escala quântica, mas não faz nenhuma tentativa para unificá-la com as outras forças). Este argumento “não-alternativo”, coloquialmente conhecido como “teoria das cordas” é a única jogada, aumentando a confiança dos teóricos que existem poucas ou nenhuma outra possível unificação das quatro forças fundamentais, tornando mais provável que a teoria das cordas seja a abordagem certa.

Em segundo lugar, a teoria das cordas cresceu a partir do Modelo Padrão – a teoria empiricamente validada aceitou incorporar todas as partículas fundamentais conhecidas e as forças (além de gravidade) em uma única estrutura matemática – e também o Modelo Padrão não tinha alternativas durante seus anos de formação. Este argumento “meta-indutivo”, como Dawid o chama, contrapõe o argumento não-alternativo, mostrando que ele tem trabalhado antes em contextos semelhantes, contrariando a possibilidade de que os físicos simplesmente não sejam inteligentes o suficiente para encontrar as alternativas que existem.

O terceiro argumento não empírico é que a teoria das cordas tem inesperadamente entregue explicações para vários outros problemas teóricos, além do problema da unificação que se destinava a tratar. A sequência de caracteres teóricos firmes de Joe Polchinski da Universidade da Califórnia, Santa Barbara, apresentou vários exemplos dessas “interconexões explicativas inesperadas”, como Dawid denominou-os, em um paper lido em Munique, em sua ausência. A teoria das cordas explica a entropia de buracos negros, por exemplo, e, em uma descoberta surpreendente que causou um surto de investigação nos últimos 15 anos, é matematicamente traduzível a uma teoria de partículas, tais como a teoria da descrição dos núcleos dos átomos.

Polchinski conclui que, considerando o quão longe estamos do excepcionalmente conseguirmos entender as escalas de distância fundamentais da natureza, devemos contar-nos com a sorte: “A teoria das cordas existe, e nós a temos encontrado” (Polchinski também usou os argumentos não-empíricos de Dawid para calcular as chances Bayesianas que o multiverso existe com 94 por cento de probabilidade – um valor que foi ridicularizado pelos críticos do multiverso na Internet).

Uma preocupação com a inclusão de argumentos não-empíricos na teoria de confirmação Bayesiana, Dawid reconheceu em seu discurso, “que [isto] abre as comportas para abandonar todos os princípios científicos”. Pode-se chegar a todos os tipos de virtudes não-empíricas ao argumentar em favor de uma ideia. “É evidente que o risco existe e, claramente, temos de ter cuidado com este tipo de raciocínio”, disse Dawid. “Mas reconhecendo que a confirmação não-empírica é parte da ciência, e tem sido parte da ciência por algum tempo, fornece uma base melhor para ter essa discussão do que fingir que ela não estava lá, e apenas implicitamente usá-la, e, em seguida, dizer que não fizemos isso. Uma vez que estamos a céu aberto, pode-se discutir os prós e contras de esses argumentos dentro de um contexto específico”.

O Debate de Munique

A lixeira da história está repleta de teorias bonitas. O historiador dinamarquês de cosmologia Helge Kragh, que detalhou o número destas falhas em seu livro de 2011, Higher Speculations, falou em Munique sobre a teoria do vórtex de átomos do século 19. Esta “teoria totalmente Vitoriana”, desenvolvida pelo escocês Peter Tait e pelo Lord Kelvin, postulou que os átomos são vórtices microscópicos no éter, o meio líquido que se acreditava na época preencher o espaço. Hidrogênio, oxigênio e todos os outros átomos eram, no fundo, apenas diferentes tipos de nós em um turbilhão. Na primeira, a teoria “parecia ser muito promissora”, disse Kragh. “As pessoas ficaram fascinadas com a riqueza da matemática, que poderia manter os matemáticos ocupados por séculos, como foi dito na época”. Infelizmente, os átomos não são vórtices, o éter não existe, e a beleza teórica nem sempre é verdade.

Exceto às vezes. O Racionalismo guiado por Einstein em direção a sua teoria da relatividade, que ele acreditava sinceramente por motivos racionais antes dela ter sido testada. “Eu mantenho-a como verdade que o pensamento puro pode apreender sobre a realidade, como os antigos sonhavam”, disse Einstein em 1933, anos depois de sua teoria ser confirmada por observações da luz das estrelas flexionadas em torno do sol.

A questão para os filósofos é: Sem experiências, há alguma maneira de distinguir entre as virtudes não-empíricas da teoria do vórtex e a teoria de Einstein? Podemos realmente confiar sempre em uma teoria por motivos não-empíricos?

Em discussões na terceira tarde do workshop, o filósofo da LMU Radin Dardashti afirmou que a filosofia de Dawid visa especificamente identificar quais argumentos não-empíricos devem carregar o peso, permitindo que os cientistas “façam uma avaliação que não é baseada na simplicidade, que não se baseie na beleza” a avaliação de Dawid pretende ser mais objetiva do que estas medidas, Dardashti explicou – e a mais reveladora verdadeira promessa de uma teoria.

Gross disse que Dawid tem “descrito maravilhosamente” as estratégias físicas usadas “para ganhar confiança em uma especulação, uma ideia nova, uma teoria nova”.

“Você quer dizer com confiança que isso é verdade?”, Perguntou Peter Achinstein, um filósofo de 80 anos de idade e historiador da ciência da Universidade Johns Hopkins. “Confia que ela seja útil? Tem confiança de que…”

“Vamos dar uma definição operacional de confiança: Vou continuar a trabalhar com ela”, disse Gross.

“Isso é muito baixo”, disse Achinstein.

“Não para a ciência”, disse Gross. “Essa é a pergunta que importa”.

Kragh ressaltou que, mesmo Popper veria um valor no tipo de pensamento que motivam os teóricos das cordas de hoje. Popper chamou a especulação que não dá predições testáveis de”metafísica”, mas ele considerou que essa atividade valia a pena, uma vez que pode tornar-se testável no futuro. Isto era verdade na teoria atômica, que muitos físicos do século 19 temiam nunca ser empiricamente confirmada. “Popper não era um popperiano ingênuo”, disse Kragh. “Se uma teoria não é falseável”, disse Kragh, canalizando Popper, “não deve ser abandonada. Temos que esperar”.

Mas vários participantes da oficina levantaram dúvidas sobre a teoria da confirmação Bayesiana, e sobre os argumentos não-empíricos de Dawid, em particular.

Carlo Rovelli, um proponente da gravidade quântica em loop (rival da teoria das cordas) da Universidade Aix-Marseille, na França, objetou que a teoria de confirmação Bayesiana não permite uma distinção importante que existe na ciência entre as teorias científicas que estão certas e aquelas que ainda estão sendo testadas. A “confirmação” Bayesiana que existem átomos é de essencialmente 100 por cento, como resultado de inúmeras experiências. Mas Rovelli diz que o grau de confirmação da teoria atômica não deveria sequer ser medido nas mesmas unidades do que na teoria das cordas. A teoria das cordas não é, digamos, 10 por cento certa como foi confirmado na teoria atômica; os dois têm status inteiramente diferentes. “O problema com a “confirmação não-empírica” de Dawid é que ela atrapalha o ponto”, disse Rovelli. “E, claro, alguns teóricos das cordas estão felizes em atrapalhá-lo desta maneira, porque eles podem, em seguida, dizer, equivocadamente, que a teoria das cordas foi ‘confirmada’ “.

O físico alemão Sabine Hossenfelder, em sua palestra, defendeu que o progresso na física fundamental, muitas vezes, vem abandonando preconceitos acalentados (como, talvez, a suposição de que as forças da natureza devam ser unificadas). Ecoando este ponto, Rovelli disse que “a ideia de Dawid de [formas de] confirmação não-empírica é um obstáculo a essa possibilidade de progresso, porque baseia a nossa credibilidade em nossos próprios credos anteriores”. Ele “tira uma das ferramentas – talvez até a própria alma – do pensamento científico”, ele continuou, “que ele não confia em seu próprio pensamento”.

O processo de Munique será compilado e publicado, provavelmente como um livro, em 2017. Como para o que foi realizado, um resultado importante, de acordo com Ellis, foi um reconhecimento por teóricos das cordas participantes que a teoria não está “confirmada”, no sentido de ser Verificada. “David Gross deixou clara sua posição: os critérios de Dawid são bons para justificar o trabalho na teoria, não por dizer que a teoria é validada de forma não-empírica”, escreveu Ellis em um e-mail. “Isso me parece uma boa posição – e afirmando explicitamente, é um progresso.”

Ao considerar como teóricos devem proceder, muitos participantes manifestaram a opinião de que o trabalho na teoria de cordas e outras ideias ainda não testáveis devem continuar. “Mantenha a especulação”, escreveu Achinstein em um e-mail após o workshop, mas “dê a sua motivação para especular, dar suas explicações, mas admitindo que elas são apenas possíveis explicações”.

“Talvez um dia as coisas vão mudar”, Achinstein acrescentou, “e as especulações se tornarão testáveis; e talvez não, talvez nunca”. Nós nunca podemos saber com certeza a forma como o universo funciona em todas as distâncias e em todos os tempos, “mas talvez você pode restringir as possibilidades a apenas alguns”, disse ele. “Eu acho que isso seria algum progresso”.

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