Agitando o paradigma da matéria escura

Uma teoria sobre a gravidade desafia nossa compreensão do universo.

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Ilustração de Anna Kova

Por Ali Sundermier
Publicado na Symmetry Magazine

Por milênios, os humanos tiveram uma bela crença. Nosso planeta, a Terra, estava no centro de um vasto universo, e todos os planetas e as estrelas e os corpos celestes giravam em torno de nós. Este modelo geocêntrico, apesar de existir desde o século VI a.c., foi escrito em sua forma mais elegante por Claudius Ptolomeu em 140 d.c.

Quando esse modelo encontrou problemas, como o movimento retrógrado dos planetas, os cientistas retrabalharam os dados para se adequarem ao modelo, criando fenômenos como epiciclos e mini órbitas.

Até que em 1543, 1400 anos depois, Nicolaus Copérnico desencadeou uma mudança de paradigma que daria lugar a séculos de novas descobertas. De acordo com a teoria radical de Copérnico, a Terra não era o centro do universo, mas simplesmente um de uma longa linha de planetas orbitando ao redor do sol.

Mas mesmo com evidências de que vivemos em um sistema heliocêntrico e cientistas como o Galileo Galilei aperfeiçoando o modelo, a sociedade sustentou a crença de que todo o universo orbitava em torno da Terra até o início do século XIX.

Para Erik Verlinde, físico teórico da Universidade de Amsterdã,a ideia de matéria escura é o modelo geocêntrico do século XXI.

“O que as pessoas estão fazendo agora é permitir parâmetros livres para se adequarem aos dados”, diz Verlinde. “Você acaba com uma teoria que tem tantos parâmetros gratuitos que fica difícil de refutar”.

A matéria escura, uma forma de matéria ainda não detectada que os cientistas acreditam que compõem mais de um quarto da massa e da energia do universo, foi primeiramente teorizada quando os cientistas notaram que as estrelas nas bordas externas das galáxias e de aglomerados de galáxias estavam se movendo muito mais rápido do que a teoria da gravidade de Newton previa. Até este ponto, os cientistas assumiram que a melhor explicação para isso é que deve haver massa faltante no universo que mantém essas estrelas em movimento rápido na forma de matéria escura.

Mas Verlinde apresentou um conjunto de equações que explica essas curvas de rotação galáctica, observando a gravidade como uma força emergente – resultado da estrutura quântica do espaço.

A ideia está relacionada à energia escura, que os cientistas pensam ser a causa da aceleração da expansão do nosso universo. Verlinde pensa que o que vemos como matéria escura é realmente apenas interações entre galáxias e o mar de energia escura em que estão incorporadas.

“Antes de começar a trabalhar nisso, nunca tive dúvidas sobre matéria escura”, diz Verlinde. “Mas, então, comecei a pensar neste link com a informação quântica e tive a ideia de que a energia escura está transportando mais da dinâmica da realidade do que percebemos”.

Verlinde não é o primeiro teórico a apresentar uma alternativa à matéria escura. Muitos acham que sua teoria ecoa o sentimento das equações do físico Mordehai Milgrom de “dinâmica Newtoniana modificada”, ou MOND. Assim como Einstein modificou as leis de gravidade de Newton para caber na escala de planetas e sistemas solares, o MOND modifica as leis da gravidade de Einstein para se ajustarem à escala de galáxias e aglomerados de galáxias.

Verlinde, no entanto, faz a distinção de que ele não está derivando as equações do MOND, em vez disso ele está derivando o que ele chama de “relação de escala”, ou um efeito de volume do espaço-tempo que só se torna importante a grandes distâncias.

Stacy McGaugh, astrofísica da Case Western Reserve University, diz que, enquanto o MOND é principalmente a noção de que a força efetiva da gravidade muda com a aceleração, as ideias de Verlinde são mais um trabalho teórico.

“Ele está tentando olhar a estrutura do espaço-tempo e ver se o que chamamos de gravidade é uma propriedade que emerge dessa estrutura quântica, daí o nome de gravidade emergente”, diz McGaugh. “Em princípio, é uma abordagem muito diferente que não necessariamente conhece o MOND ou tem algo a ver com isso”.

Uma das coisas atraentes da teoria de Verlinde, diz McGaugh, é que naturalmente produz evidências do MOND de uma maneira que “ele simplesmente aconteça”.

“Esse é o tipo de coisa que se procura”, diz McGaugh. “Deve haver alguma base para o que o MOND aconteça, e essa teoria pode fornecer isso”.

As ideias de Verlinde foram recebidas com bastante ceticismo na comunidade científica, em parte porque, de acordo com Kathryn Zurek, física teórica do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA, sua teoria deixa muita coisa sem explicação.

“As teorias da gravidade modificada apenas tentam explicar as curvas de rotação galáctica [ planetas em rápido movimento]”, diz Zurek. “Como evidência de matéria escura, essa é apenas uma parte muito pequena do quebra-cabeça. A matéria escura explica toda uma série de observações desde o tempo do fundo cósmico de microondas quando o universo tinha apenas alguns centenas de milhares de anos através da formação de estruturas até hoje”.

Ilustração de Anna Kova.

Zurek diz que, para que os cientistas comecem a dar crédito às suas ideias, Verlinde precisa construir o caso em torno de sua teoria e mostrar que acomoda uma ampla gama de observações. Mas, ela diz, isso não significa que suas ideias devem ser ignoradas.

“Deve-se sempre testar o paradigma”, diz Zurek, “embora o paradigma da matéria escura tenha sido extremamente bem-sucedido, você sempre precisa verificar seus pressupostos e certificar-se de que não está faltando algo que possa ser a ponta do Iceberg”.

McGaugh teve uma crise de fé semelhante na matéria escura quando ela estava trabalhando em uma experiência em que as previsões do MOND eram as únicas que se tornaram realidade em seus dados. Ela estava fazendo observações de galáxias de brilho superficial, onde as estrelas estão muito afastadas umas das outras, diferente de galáxias como a Via Láctea, onde as estrelas estão relativamente próximas.

McGaugh diz que seus resultados não faziam sentido para ela no contexto padrão da matéria escura, e descobriu que as propriedades que estavam confundindo com ela já haviam sido preditas pelas equações MOND de Milgrom em 1983, antes que as pessoas tivessem começado a levar a sério a ideia de galáxias de brilho superficial.

Embora a experiência de McGaugh tenha a feito se questionar sobre a existência de matéria escura e defender o MOND, outros não foram tão rápidos em se juntar à causa.

“Subscrevemos um paradigma particular e a maior parte do nosso pensamento está focado nos limites desse paradigma e, portanto, se encontrarmos uma situação em que exista uma mudança de paradigma, é realmente difícil pensar fora dessa caixa”, McGaugh Diz. “Mesmo que tenhamos regras para o jogo quanto a quando você dever mudar de ideia e nós, em princípio, tentamos seguir isso, na prática há algumas mudanças de mentalidade tão grandes que simplesmente não podem superar a nossa natureza humana.”

McGaugh diz que muitos de seus colegas acreditam que há tantas evidências de matéria escura que é uma perda de tempo considerar quaisquer alternativas. Mas ela acredita que todas as evidências para a matéria escura podem ser uma indicação de que há algo errado com nossas teorias da gravidade.

“Eu meio que me preocupo que nos dirigimos a mais mil anos de epiciclos escuros”, diz McGaugh.

Mas de acordo com Zurek, se o MOND surgir em qualquer lugar perto da evidência que foi acumulada pelo paradigma da matéria escura, as pessoas se uniriam para isso. O problema, ela diz, é que, no momento, o MOND não está nem perto de passar na quantidade de testes que a matéria escura já passou. Ela acrescenta que existem alguns físicos que argumentam que o paradigma da matéria escura pode, de fato, explicar essas observações sobre galáxias de brilho superficial.

Recentemente, a Case Western realizou uma oficina em que reuniram representantes de diferentes comunidades, incluindo aqueles que trabalham em modelos de matéria escura, para discutir galáxias anãs e o efeito de campo externo, que é a noção de que objetos de muito baixa densidade serão afetados pelo que está em torno deles. O MOND prevê que a dinâmica de uma pequena galáxia satélite dependerá de sua proximidade com seu hospedeiro gigante de uma maneira que não acontece com a matéria escura.

McGaugh diz que no workshop havia um grupo de pessoas mais filosoficamente inclinadas que usam um conjunto de regras para julgar as teorias, que se juntaram ao analisar como as teorias se desenvolveram no passado.

“Uma das coisas interessantes que surgiram foi que o MOND está melhorando”, diz ele. “É mais progressivo no sentido de que está fazendo previsões bem-sucedidas para novos fenômenos, enquanto no caso da matéria escura tivemos que invocar repetidamente correções ad hoc para corrigir as coisas”.

As ideias de Verlinde, no entanto, não agradaram muito na oficina. Enquanto McGaugh diz que as duas teorias estão intimamente relacionadas, espera-se que as mesmas pessoas que buscam o MOND estejam interessadas na teoria de Verlinde, e ela acrescentou que nem todos compartilham essa atitude. Muitos aguardam mais desenvolvimento teórico e outros testes observacionais.

“A teoria precisa fazer uma previsão clara para que possamos elaborar um programa para testá-la”, diz ela. “Precisa ser desenvolvido além de onde estamos agora”.

Verlinde diz que ele percebe que ainda precisa desenvolver suas ideias e estendê-las para explicar coisas como a formação de galáxias e aglomerados de galáxias. Embora ele tenha trabalhado principalmente nesta teoria por conta própria, ele reconhece a importância de construir uma comunidade em torno de suas ideias.

Ao longo dos últimos meses, ele tem feito apresentações em diferentes universidades, incluindo Princeton, Harvard, Berkeley, Stanford e Caltech. Atualmente, existe uma grande comunidade de pessoas que trabalham em ideias de informação quântica e gravidade, diz ele, e seu objetivo principal é conseguir que mais pessoas, em particular teóricos de cordas, comecem a pensar em suas ideias para ajudá-lo a melhorar.

“Eu acho que quando entendemos a gravidade melhor e usamos essas equações para descrever a evolução do universo, podemos responder as perguntas mais precisamente sobre como o universo começou”, diz Verlinde. “Eu realmente acho que a descrição atual é apenas parte da história e há uma maneira muito mais profunda de entendê-la – talvez uma maneira ainda mais bonita”.

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