Por Kate Becker
Publicado em The Nature of Reality
Podem as leis da física mudarem ao longo do tempo e do espaço?
Tanto quanto os físicos podem dizer, o cosmos tem jogado pelas mesmas regras desde o momento do Big Bang. Mas as leis poderiam ter sido diferentes no passado, e poderiam mudar no futuro? Podem prevalecer diferentes leis em algum canto distante no cosmos?
“Não é uma possibilidade completamente louca”, diz Sean Carroll, um físico teórico da Caltech, que assinala que, quando perguntamos se as leis da física são mutáveis, na verdade estamos fazendo duas perguntas separadas: Primeiro, as equações da mecânica quântica e da gravidade mudam ao longo do tempo e do espaço? E, segundo, as constantes numéricas que povoam essas equações variam?
Para ver a distinção, imagine o universo inteiro como um grande jogo de basquete. Você pode ajustar certos parâmetros sem mudar o jogo: Levante o aro um pouco mais alto, faça a corte um pouco maior, mude a maneira de marcar, e ainda será basquete. Mas se você disser aos jogadores para começar a correr em bases ou chutar em um ‘gol de campo’, então você está jogando um jogo diferente.
A maior parte da pesquisa atual para a mutabilidade das leis físicas concentram-se nas constantes numéricas. Por quê? É a pergunta mais fácil de responder. Os físicos podem fazer predições testáveis e sólidas sobre como as variações das constantes numéricas deverão afetar os resultados de suas experiências. Além disso, diz Carroll, não seria necessariamente um golpe na física se ela assumisse que constantes mudam com o tempo. Na verdade, algumas constantes mudaram: A massa de um elétron, por exemplo, foi zero até o campo de Higgs acender uma pequena porção de um segundo após o Big Bang. “Temos muitas teorias que podem acomodar mudanças constantes”, diz Carroll. “Tudo que você tem que fazer para explicar as constantes dependentes do tempo é adicionar algum campo escalar na teoria que se move muito lentamente”.
Um campo escalar, Carroll explica, é qualquer quantidade que tem um valor único em cada ponto do espaço-tempo. A celebridade do campo escalar é o Higgs, mas você também pode pensar em quantidades menos exóticas, como a temperatura, ou como campos escalares também. Um campo escalar ainda não descoberto – que muda muito lentamente e poderia continuar a evoluir até bilhões de anos após o Big Bang – e, com ele, as chamadas constantes da natureza poderiam evoluir também.
Felizmente, o cosmos nos presenteou com algumas janelas acessíveis através do qual podemos olhar atentamente as constantes como eram no passado distante. Uma tal janela está localizada nos depósitos de urânio ricos da região de Oklo, no Gabão, África Central, onde, em 1972, os trabalhadores por acaso descobriram um grupo de “reatores nucleares naturais” – rochas que acendiam espontaneamente e conseguiam sustentar reações nucleares por centenas de milhares de anos. O resultado: “Um fóssil radioativo do que as regras da natureza pareciam a dois bilhões de anos atrás”, diz Carroll. (Para ter uma perspectiva, a Terra tem cerca de 4 bilhões de anos, e o universo está avançando em direção á 14 bilhões).
As características desse fóssil dependem do valor de um número especial chamado de constante de estrutura fina, que agrupa um punhado de outras constantes – a velocidade da luz, a carga de um elétron, a constante elétrica e a constante de Planck – em um único número, com cerca de 1/137. É o que os físicos chamam de constante “sem dimensão”, o que significa que ele é realmente apenas um número: Não é 1/137 polegadas, segundos, ou pingentes, é simplesmente 1/137. Isso faz com que seja um local ideal para observar as mudanças nas constantes embutidas dentro dela, diz Steve Lamoreaux, um físico da Universidade de Yale. “Se as constantes alterassem de tal maneira que a massa de elétrons e as energias de interação eletrostática se alterassem de forma diferente, iria aparecer na 1/137 inequivocamente, independente do sistema de medição”.
Mas a interpretação dos fósseis não é fácil, e ao longo dos anos os investigadores que estudam Oklo têm vindo a conclusões aparentemente contraditórias. Durante décadas, os estudos de Oklo pareceram mostrar que a constante de estrutura fina esteve absolutamente constante. Então veio um estudo sugerindo que ele tinha ficado cada vez maior, e outro que ela tinha ficado cada vez menor. Em 2006, Lamoreaux (até então no Los Alamos National Laboratory) e seus colegas publicaram uma nova análise, em que escreveram: “não consistente com nenhuma mudança”. Mas, como eles apontaram, ainda era um “modelo dependente”, ou seja, eles tinham que fazer certas suposições sobre como a constante de estrutura fina poderia mudar.
Usando relógios atômicos, os físicos podem procurar alterações ainda menores na constante de estrutura fina, mas eles estão limitados a olhar para variações atuais que acontecem ao longo de um ano ou menos. Pesquisadores do National Institute of Standards and Technology em Boulder, Colorado, usaram o tempo em uma comparação mantida por relógios atômicos que funcionam em alumínio e mercúrio para colocar limites extremamente apertados na mudança atual da constante de estrutura fina. Embora eles não possam dizer com certeza que a constante de estrutura fina não está mudando, se ela estiver, a variação é pequena: apenas um quatrilhão de um único por cento a cada ano.
Hoje, os maiores limites sobre como as constantes podem ser variadas ao longo da vida do universo vem de observações de objetos distantes no céu. Isso porque, quanto mais distante no espaço que você olha, mais para trás no tempo você pode ver. A “máquina do tempo” de Oklo pára em dois bilhões de anos atrás, mas, usando a luz de quasares distantes, os astrônomos marcaram uma máquina do tempo cósmica de 11 bilhões de anos atrás.
Quasares são extremamente brilhantes, objetos antigos que os astrônomos acreditam que provavelmente estão brilhando em buracos negros supermassivos. Como a luz de quasares viaja para nós, algumas delas são absorvidas pelo gás que viajam ao longo do caminho. Mas ela não é absorvida de maneira uniforme: apenas comprimentos de onda muito particulares, ou cores, são. As cores específicas que são “apagadas” a partir do espectro dependem de como os fótons da luz Quasar interagem com átomos no gás, e as interações dependem da constante de estrutura fina. Então, olhando o espectro de luz de quasares distantes, os astrofísicos podem procurar alterações na constante de estrutura fina ao longo de bilhões de anos.
“No momento em que a luz chegou até nós aqui na Terra, recolhemos informações sobre várias galáxias que vieram antes, a bilhões de anos”, diz Tyler Evans, que liderou algumas das medidas de quasares mais rigorosas até agora, enquanto era um estudante de PhD pela Swinburne University of Technology, na Austrália: “É semelhante a tirar uma amostra de núcleo de gelo ou terra, a fim de saber como o clima estava se comportando em épocas anteriores”.
Apesar de algumas sugestões tentadoras, os estudos mais recentes mostram que todas as alterações para a constante de estrutura fina são “consistentes com zero“. Isso não significa que a constante de estrutura fina absolutamente não está mudando. Mas se estiver, o faz de maneira mais sutil do que essas experiências podem detectar, e isso parece improvável, diz Carroll. “é difícil comprimir uma teoria entre a pequena luz não mudar em tudo, e não mudar o suficiente para que possamos vê-la“.
Os astrofísicos também estão à procura de mudanças para G, a Constante Gravitacional, que mede a força da gravidade. Em 1937, Paul Dirac, um dos pioneiros da mecânica quântica, ofereceu a hipótese de que a gravidade fica mais fraca com a idade do universo. Embora a ideia não tenha pegado, físicos não paravam de olhar para mudanças em G, e hoje algumas teorias alternativas exóticas de gravidade abraçam uma constante gravitacional que está mudando. Enquanto os experimentos de laboratório aqui na Terra voltaram com resultados confusos, os estudos fora da Terra sugerem que G não está mudando muito, ao todo. Mais recentemente, os astrônomos de rádio vasculharam 21 anos de dados de tempo precisos, de um pulsar estável excepcionalmente brilhante, para ver se eles poderiam traçar quaisquer alterações na sua “pulsação” regular de emissão de rádio sobre mudanças na constante gravitacional. O resultado: nada.
Mas voltando a segundo, a metade mais resistente da nossa pergunta original: Poderiam as leis da física em si, e não apenas as constantes costuradas para elas, estarem mudando? “Isso é muito mais difícil de dizer”, diz Carroll, que aponta que existem diferentes graus de perturbação a se considerar. Se a legislação de algumas “sub-teorias” da mecânica quântica, como a eletrodinâmica quântica, acabar por ser fluida, talvez a teoria existente pudesse acomodar isso. Mas se as leis da própria mecânica quântica estão em fluxo, diz Carroll, “Isso seria muito bizarro”. Nenhuma teoria prevê como ou por que essa mudança pode acontecer; simplesmente não há estrutura a partir do qual investigaríamos a questão.
Tanto quanto nós podemos dizer, o universo parece estar jogando limpo. Mas os físicos continuarão vasculhando o livro de regras, à procura de pistas sobre as regras do jogo estarem mudando em um nível que ainda não tenham percebido.
