Seta do tempo (quase) reversível

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Matthew DiVito.

Artigo traduzido de Quanta Magazine. Autor: Frank Wilczek.

I.

Poucos fatos da experiência são tão óbvias e penetrantes como a distinção entre passado e futuro. Nos lembramos de um, mas antecipamos o outro. Se você rebobinar um filmes, ele não parecerá realista. Dizemos que há uma seta do tempo, que aponta do passado para o futuro.

Seria de esperar que um fato tão básico como a existência da seta do tempo estaria incorporada nas leis fundamentais da física. Mas o inverso é verdadeiro. Se você pudesse fazer um filme de eventos subatômicos, você acharia que a versão rebobinada do tempo parece perfeitamente razoável. Ou, mais precisamente: as leis fundamentais da física – até algumas pequenas e esotéricas exceções que discutiremos em breve – procurarão ser obedecidas, se seguirmos o fluxo do tempo para a frente ou para trás. Nas leis fundamentais, a seta do tempo é reversível.

Logicamente falando, a transformação que inverte o sentido de tempo pode ter alterado as leis fundamentais. O senso comum sugere que deveria. Mas isso não acontece. Os físicos usam taquigrafia conveniente – também chamado de jargão – para descrever esse fato. Eles chamam a transformação que inverte a seta do tempo de “reversão do tempo”, ou simplesmente T. E eles se referem ao (aproximado) fato de que T não muda as leis fundamentais como “invariância T”, ou “simetria T”.

A experiência cotidiana viola a invariância T, enquanto as leis fundamentais a respeita. Esse descompasso gritante levanta questões desafiadoras. Como o mundo real, cujas leis fundamentais respeitam a simetria T, consegue parecer tão assimétrico? É possível que um dia encontremos seres com o fluxo oposto – seres que crescem mais jovem à medida que envelhecemos? Poderíamos, por algum processo físico, virar seta do tempo do nosso próprio corpo?


David Kaplan explica como a busca de simetrias escondidas leva a descobertas como o bóson de Higgs. (Em inglês)

Essas são grandes questões, e eu espero escrever sobre elas num futuro-passado post. Aqui, no entanto, quero considerar uma pergunta complementar. Ela surge quando começamos a partir do outro lado, nos fatos da experiência comum. A partir dessa perspectiva, o quebra-cabeça é o seguinte:

Por que as leis fundamentais têm essa bizarra e problematizada propriedade, a invariância T?

A resposta que podemos oferecer hoje é incomparavelmente mais profunda e mais sofisticada do que nós poderíamos oferecer há 50 anos. A compreensão de hoje surgiu de um jogo brilhante de descoberta experimental e análise teórica, que rendeu vários prêmios Nobel. No entanto, nossa resposta ainda contém uma grave lacuna. Conforme eu vou explicar, fechar a lacuna pode muito bem levar-nos, como um bônus inesperado, identificar a cosmológica “matéria escura“.

II.

A história moderna da invariância T começa em 1956. Naquele ano, T. D. Lee e C. N. Yang questionaram uma característica diferente, mas relacionada de lei física, que até então tinha sido dada como certa. Lee e Yang não estavam preocupados com a própria T, mas com o seu análogo espacial, a transformação de paridade, “P”. Considerando que T envolve olhar para filmes correndo para trás no tempo, P envolve olhar para filmes refletidos em um espelho. A invariância  de paridade é a hipótese de que os eventos que você vê nos filmes refletidos seguem as mesmas leis que os originais. Lee e Yang identificaram indícios contra essa hipótese e sugeriram experimentos críticos para testá-lo. Dentro de alguns meses, os experimentos provaram que a invariância P falha em muitas circunstâncias (a invariância P serve para interações gravitacionais, eletromagnéticas e fortes, mas geralmente não nas chamadas interações fracas).

Esses acontecimentos dramáticos em torno da (não)invariância P estimulou físicos a questionar a invariância T, um pressuposto similar que também já havia sido dado por certo. Mas a hipótese da invariância T sobreviveu a exames minuciosos durante vários anos. Foi só em 1964 que um grupo liderado por James Cronin e Fitch descobriu Valentine, um efeito peculiar minúsculo no decaimento de mésons K que viola a invariância T.

III.

A sabedoria da visão de Joni Mitchell – que “você não sabe o que você tem até que ele se vá” – foi comprovada na sequência.

Se, como crianças pequenas, continuarmos perguntando: “Por quê?”, podemos obter respostas mais profundas por um tempo, mas eventualmente vamos chegar num muro, quando chegamos a uma verdade que não podemos explicar em termos mais simples. Nesse ponto, temos damos um basta, cantando vitória: “Isso é do jeito que é”. Mas se mais tarde encontrarmos exceções a nossa suposta verdade, essa resposta não vai mais servir. Teremos de continuar.

Enquanto a invariância T parecia ser uma verdade universal, não estava claro que a nossa pergunta em itálico era útil. Por que o universo é invariante T? Ele era. Mas depois de Cronin e Fitch, o mistério da invariância T não poderia ser evitada.

Muitos físicos teóricos lutaram com o desafio irritante em compreender como a invariância T poderia ser extremamente precisa, ainda que não completamente exata. Aqui o trabalho de Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa foi decisivo. Em 1973, eles propuseram que se aproximar da invariância T é uma consequência acidental de outros princípios mais profundos.

O momento era propício. Não muito antes, os contornos do modelo moderno padrão da física de partículas tinham surgido e com ele um novo nível de clareza sobre as interações fundamentais. Em 1973 houve um poderoso – e empiricamente bem sucedido! – quadro teórico, com base em alguns “princípios sagrados”. Esses princípios são a relatividade, a mecânica quântica e uma regra matemática de uniformidade chamada “simetria de medida”.

Acabou sendo bastante desafiador fazer todas essas ideias cooperarem. Juntas, eles restringem enormemente as possibilidades das interações básicas.

Kobayashi e Maskawa, em poucos parágrafos breves, fizeram duas coisas. Primeiro, eles mostraram que, se a física estava restrita às partículas então conhecidas (para os especialistas: se houvesse apenas duas famílias de quarks e léptons), então todas as interações permitidas pelos princípios sagrados também respeitariam a invariância T. Se Cronin e Fitch nunca tivessem feito sua descoberta, esse resultado teria sido um triunfo imaculado. Mas eles tinham, por isso, Kobayashi e Maskawa foi um passo crucial. Eles mostraram que se introduzir um conjunto muito específico de novas partículas (a terceira família), então essas partículas trariam novas interações que conduziriam a uma pequena violação da invariância T. Parecia, então, ser apenas o que manda o figurino.

Nos anos seguintes, sua brilhante peça de trabalho de investigação teórica foi plenamente justificada. As novas partículas, cuja existência Kobayashi e Maskawa inferiram, foram observadas, e suas interações são apenas o que Kobayashi e Maskawa propuseram que deveriam ser.

Antes de terminar esta seção, eu gostaria de adicionar uma coda filosófica. Os princípios sagrados são realmente sagrado? Claro que não. Se os experimentos forçam os cientistas modificar esses princípios, eles vão modifica-los. Mas, no momento, os princípios sagrados parecem muito bons. E, evidentemente, tem sido frutífero levá-los muito a sério.

IV.

Até agora, eu contava uma história de triunfo. Nossa pergunta em itálico, um dos enigmas mais impressionantes sobre como o mundo funciona, recebeu uma resposta que é profunda, bela e fecunda.

Mas tem uma mosca na sopa.

Poucos anos depois do trabalho de Kobayashi e Maskawa, Gerard ‘t Hooft descobriu uma lacuna em sua explicação da invariância T. Os princípios sagrados permitiam um tipo adicional de interação. A possível nova interação é bastante sutil, e a descoberta de ‘t Hooft foi uma grande surpresa para a maioria dos físicos teóricos.

A nova interação, se estivesse presente com força substancial, violaria a invariância T de formas que são muito mais óbvias do que o efeito que Cronin, Fitch e seus colegas descobriram. Especificamente, isso iria permitir a rotação de um nêutron para gerar um campo elétrico, além do campo magnético criado (o campo magnético de um nêutron girando é amplamente análogo ao da nossa Terra em rotação, embora, naturalmente, em uma escala totalmente diferente). Os experimentadores olharam duramente para esses campos elétricos, mas até agora eles estão vazio.

A natureza não escolhe explorar a lacuna ‘t Hooft. Essa é sua prerrogativa, claro, mas levanta a nossa pergunta em itálico novamente: por que a natureza aplica a invariância T com tanta precisão?

Várias explicações foram apresentadas, mas apenas uma resistiu ao teste do tempo. A ideia central é devido a Roberto Peccei e Helen Quinn. Sua proposta, como a de Kobayashi e Maskawa, envolve expandir o modelo padrão de uma forma bastante específica. Uma delas é introduzir um campo de neutralização, cujo comportamento é especialmente sensível à nova interação ‘t Hooft. Assim, se essa nova interação está presente, então o campo de neutralização irá ajustar seu próprio valor, de modo a anular essa influência das interações (este processo de ajuste é muito semelhante à forma como os elétrons carregados negativamente em um sólido se reúnem em torno de uma impureza com carga positiva e, assim, rastreia sua influência). O campo de neutralização, assim, fecha nossa lacuna.

Peccei e Quinn esqueceram uma importante consequência testável da sua ideia. As partículas produzidas pelo seu domínio neutralizante – sua quanta – estão previstos para terem propriedades notáveis. Uma vez que eles não notaram essas partículas, eles também não as nomearam. Isso me deu a oportunidade de realizar um sonho de adolescência.

Alguns anos antes, um supermercado exibiu caixas coloridas de um detergente chamado Axion que chamou minha atenção. Ocorreu-me que “axion” soava como o nome de uma partícula e realmente deveria ser uma. Então, quando eu notei uma nova partícula que “limpava” um problema com uma corrente “axial”, eu vi a minha chance (logo aprendi que Steven Weinberg também tinha notado essa partícula, de forma independente. Ele tinha a chamado de “Higglet”. Ele graciosamente, penso eu, concordou em abandonar esse nome). Assim começou uma saga cuja conclusão continua a ser escrita.

Nas crônicas da Particle Data Group você vai encontrar várias páginas, que abrange dezenas de experiências descrevendo pesquisas axion sem sucesso.

No entanto, há motivos para otimismo.

A teoria dos axions prevê, de um modo geral, que axions deve ser partículas muito leves com uma vida muito longa, cujas interações com a matéria comum são muito débeis. Mas, para comparar a teoria e a experiência precisamos ser quantitativos. E aqui encontramos a ambiguidade, porque a teoria existente não corrige o valor da massa axion. Se conhecermos a massa axion podemos prever todas as suas outras propriedades. Mas a própria massa pode variar dentro de uma vasta gama (o mesmo problema básico surgiu para o quark charmed, a partícula de Higgs, o quark top e vários outros outros. Antes de cada uma dessas partículas ser descoberta, a teoria previa todas as suas propriedades, exceto o valor de sua massa). Acontece que a força das interações dos axions é proporcional à sua massa. Conforme o valor assumido para a massa do axion diminui, o axion torna-se mais evasivo.

Nos primeiros dias, os físicos focaram em modelos em que o axion está intimamente relacionado com a partícula de Higgs. Essas ideias sugerem que a massa do axion deve ser de cerca de 10 keV – ou seja, cerca de 1/5 da massa de um elétron. A maioria das experiências que aludi anteriormente procurou axiomas desse tipo. Por enquanto estamos confiantes tais tais axions não existem.

A atenção virou-se, portanto, para valores muito pequenos da massa do axion (e, consequentemente, acoplamentos débeis), que não são excluídos pelo experimento. Axions deste tipo surgem muito naturalmente em modelos que unificam as interações do modelo padrão. Eles também surgem na teoria das cordas.

Os axions, calculamos, deveriam ter sido abundantemente produzidos durante os primeiros momentos do Big Bang. Se os axions existirem, então um fluido de axion permeia o universo. A origem do fluido de axion é muito semelhante à origem da famosa radiação cósmica de fundo (CMB), mas existem três principais diferenças entre estas duas entidades. Primeiro: o fundo de microondas tem sido observado, enquanto o fluido de axion ainda é hipotético. Segundo: pelo fato dos axions terem massa, seu fluido contribui significativamente para a densidade da massa total do universo. Na verdade, calcula-se que elas contribuem mais ou menos na quantidade de massa que os astrônomos identificaram como matéria escura! Terceiro: pelo fato dos axions interagirem tão debilmente, eles são muito mais difíceis de observar que os fótons da CMB.

A pesquisa experimental para axions continua. Dois dos experimentos mais promissores estão dirigidos para detectar o fluido de axion. Um deles, o ADMX (Axion Dark Matter eXperiment) usa antenas ultra-sensíveis especialmente criadas para converter axions de fundo em pulsos eletromagnéticos. O outro, CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), procura minúsculos agitações no movimento dos spins nucleares, que seriam induzidos pelo fluido de axions. Essas experiências prometem cobrir quase toda a gama de possíveis massas do axion.

Não existem axions? Nós ainda não sabemos com certeza. Sua existência traria uma conclusão dramática e satisfatória para a história da seta reversível de tempo, e muito possivelmente resolveria o enigma da matéria escura, para fechar com chave de ouro. O jogo está em progresso.

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