Os 10 principais mistérios não resolvidos da física

Se você já assistiu a um episódio de Star Trek ou The Big Bang Theory , então sabe que a física pode se tornar acessível às massas de uma forma divertida. Nossos escritores favoritos de ficção científica e comédia podem não acertar todos os detalhes, mas despertam nosso interesse pelos aspectos mais estranhos das teorias científicas.

Hoje vamos falar sobre 10 mistérios reais que a física ainda não explicou. Da comunicação alienígena às viagens no tempo e às torneiras jorrando, tentaremos tornar esses mistérios compreensíveis para todos.

Você pode até querer explorar mais esses tópicos por conta própria. Afinal, existem prêmios de milhões de dólares esperando pelas pessoas que resolverem alguns quebra-cabeças cósmicos. (Continue lendo para descobrir qual desses 10 mistérios pode torná-lo rico.) Você provavelmente ganhará um Prêmio Nobel e mudará o mundo também.

10 De onde vêm os raios cósmicos de ultra-alta energia?

Nossa atmosfera é constantemente atingida por partículas do espaço sideral com altas energias. Estes são chamados de “ raios cósmicos ”. Embora não representem muitos danos aos humanos, eles fascinaram os físicos. A observação dos raios cósmicos nos ensinou muito sobre astrofísica e física de partículas. Mas existem alguns – aqueles com mais energia – que são misteriosos até hoje.

Em 1962, no experimento Volcano Ranch, o Dr. John D. Linsley e Livio Scarsi viram algo incrível: um raio cósmico de energia ultra-alta com uma energia de mais de 16 joules. ^[1] Para lhe dar uma perspectiva, um joule é aproximadamente a energia necessária para levantar uma maçã do chão e colocá-la sobre a mesa.

Toda essa energia está concentrada numa partícula cem milhões de bilhões de bilhões de vezes menor que a maçã. Isso significa que está viajando muito próximo da velocidade da luz!

Os físicos ainda não sabem como essas partículas obtêm essa quantidade incrível de energia. Algumas teorias incluem a ideia de que podem vir de supernovas, quando as estrelas explodem no final das suas vidas. As partículas também podem ser aceleradas nos discos de matéria em colapso que se formam em torno dos buracos negros.

9 Nosso universo foi dominado pela inflação?

O universo é incrivelmente plano em grandes escalas. Isto é algo chamado “princípio cosmológico” – a ideia de que, onde quer que você vá no universo, há aproximadamente a mesma quantidade de coisas, em média.

Mas a teoria do Big Bang sugere que, nos tempos mais remotos, devem ter existido algumas grandes diferenças de densidade no Universo primitivo. Portanto, era muito mais irregular do que o nosso universo é hoje.

A teoria da inflação sugere que o universo que vemos hoje vem de um pequeno volume do universo primitivo. ^[2] Este pequeno volume expandiu-se repentina e rapidamente – muito mais rápido do que o universo está se expandindo hoje.

Tal como se desenhassemos um balão e depois o enchêssemos de ar, a inflação “esticou” todas as protuberâncias do universo primitivo e explica por que temos um universo bastante plano – onde as condições são semelhantes onde quer que você vá – hoje.

Embora isso explique muito sobre o que vemos, os físicos ainda não sabem o que causou a inflação . Os detalhes do que aconteceu durante esta inflação também são vagos. Uma melhor compreensão desta época poderia nos dizer muito sobre o universo como ele é hoje.

8 Podemos encontrar energia escura e matéria escura?

É um facto surpreendente: apenas cerca de 5% do universo consiste na matéria que podemos ver. Os físicos notaram há algumas décadas que as estrelas nas bordas externas das galáxias orbitavam em torno do centro dessas galáxias mais rápido do que o previsto.

Para explicar isto, os cientistas sugeriram que poderia haver alguma matéria “escura” invisível nessas galáxias que fazia com que as estrelas girassem mais rapidamente. Depois disso, as observações do universo em expansão levaram os físicos a concluir que deve haver muito mais matéria escura por aí – cinco vezes mais do que a matéria que podemos ver.

Paralelamente, sabemos que a expansão do universo está na verdade se acelerando. Isto é estranho porque esperaríamos que a atração gravitacional da matéria – tanto “clara” quanto “escura” – retardasse a expansão do universo.

Combine isto com o facto de o Universo ser plano – o espaço-tempo, em geral, não é curvo – e os cosmólogos precisam de uma explicação para algo que equilibre a atracção gravitacional da matéria.

“Energia escura” é a solução. A maior parte da energia do universo não pode ser encerrada na matéria, mas em vez disso, está impulsionando a expansão do universo. Os físicos acreditam que pelo menos 70% da energia do universo está na forma de energia escura. ^[3]

No entanto, até hoje, as partículas que constituem a matéria escura e o campo que constitui a energia escura não foram diretamente observados em laboratório. Observar a matéria escura é difícil porque ela não interage com a luz, que é como normalmente são feitas as observações.

Mas os físicos estão esperançosos de que partículas de matéria escura possam ser produzidas no Grande Colisor de Hádrons (LHC), onde poderão ser estudadas. Pode acontecer que as partículas de matéria escura sejam mais pesadas do que qualquer coisa que o LHC possa produzir, caso em que isso poderá permanecer um mistério por muito mais tempo.

A energia escura é apoiada por muitas observações diferentes do universo, mas ainda é profundamente misteriosa. Num sentido muito real, pode ser que “o espaço simplesmente goste de se expandir” e só podemos vê-lo expandir-se quando olhamos para escalas muito grandes.

Ou talvez as explicações sobre a matéria escura e a energia escura estejam incorretas e seja necessária uma teoria inteiramente nova. Mas teria de explicar tudo o que vemos melhor do que a teoria actual antes de os físicos a adoptarem. Mesmo assim, é incrível pensar que sabemos muito pouco sobre 95% do universo.

7 O que há no coração de um buraco negro?

Os buracos negros são alguns dos objetos mais famosos da astrofísica. Podemos descrevê-los como regiões do espaço-tempo com campos gravitacionais tão fortes que nem mesmo a luz consegue escapar.

Desde que Albert Einstein mostrou que a gravidade “dobra” o espaço e o tempo com a sua teoria da relatividade geral , sabemos que a luz não está imune aos efeitos gravitacionais. Na verdade, a teoria de Einstein foi provada durante um eclipse solar que demonstrou que a gravidade do Sol desviava raios distantes de estrelas distantes.

Desde então, muitos buracos negros foram observados, incluindo um enorme e supermassivo no coração da nossa galáxia. (Não se preocupe. Ele não engolirá o Sol tão cedo.)

Mas o mistério do que ocorre no coração de um buraco negro ainda não foi resolvido. Alguns físicos pensavam que poderia haver uma “singularidade” – um ponto de densidade infinita com alguma massa concentrada num espaço infinitamente pequeno. É difícil imaginar. Pior ainda, qualquer singularidade leva a um buraco negro nesta teoria, então não há como observarmos uma singularidade diretamente.

Ainda há debate sobre se a informação se perde dentro dos buracos negros. ^[4] Eles absorvem partículas e radiação e emitem radiação Hawking, mas a radiação Hawking não parece conter mais informações sobre o que está acontecendo dentro do buraco negro. Algumas informações sobre as partículas que caem além do horizonte de eventos no buraco negro parecem ter sido perdidas.

O facto de parecer impossível, pelo menos neste momento, compreender o que está no cerne dos buracos negros fez com que os autores de ficção científica especulassem durante décadas sobre se poderiam conter universos diferentes ou ser usados ​​para teletransporte ou viagem no tempo.

Como ser absorvido por um buraco negro envolve ser esticado em uma série de átomos (“espaguetificação”), não estamos nos oferecendo para nos aventurar lá dentro e descobrir.

6 Existe vida inteligente por aí?

As pessoas sonham com alienígenas desde que olham para o céu noturno e se perguntam o que poderia existir lá fora. Mas nas últimas décadas, descobrimos muitas evidências tentadoras.

Para começar, os planetas são muito mais comuns do que se pensava originalmente, com a maioria das estrelas tendo um sistema planetário. Sabemos também que o intervalo de tempo entre o nosso planeta se tornar habitável e a vida nele surgir foi bastante pequeno. Isso sugere que é provável que a vida se forme? Se assim for, temos o famoso “ paradoxo de Fermi ”: por que ainda não nos comunicamos com alienígenas?

Existem muitas soluções para o paradoxo de Fermi, desde as mais selvagens até às mais tristes e mundanas. Isso realmente mostra a dificuldade de se chegar a boas conclusões científicas quando se tem apenas um dado: nós.

Sabemos que a vida inteligente evoluiu neste planeta (ok, talvez seja discutível), o que significa que isso pode acontecer. Mas não podemos saber se tivemos uma sorte incrível. Ou talvez haja algo especial no nosso planeta que o torna extremamente raro, mas adequado para acolher vida. Ou talvez a probabilidade de início de vida seja extremamente baixa, por isso existem poucas, ou nenhuma, civilizações alienígenas por aí.

O astrónomo Frank Drake elaborou a sua “equação de Drake” ^[5] como uma forma de analisar todos os diferentes aspectos deste problema. Cada um dos termos representa uma razão pela qual podemos não estar nos comunicando com vida inteligente.

Talvez a vida seja comum, mas a vida inteligente é rara. Talvez, depois de um tempo, todas as civilizações decidam não se comunicar com outras formas de vida. Eles estão lá fora, mas não querem falar conosco.

Ou, assustadoramente, talvez isto mostre que muitas civilizações alienígenas se destroem pouco depois de se tornarem tecnologicamente avançadas o suficiente para comunicarem. Podemos nos preocupar com a possibilidade de isso acontecer na Terra com armas nucleares ou IA fora de controle.

Foi até sugerido que a falta de comunicação dos alienígenas é uma prova de que o mundo foi criado – seja por um Deus ou como parte de uma simulação de computador. Isso explicaria por que só existe nós. Os jogadores cósmicos estão jogando no modo single-player.

A realidade é que não procuramos há tanto tempo e o espaço é inimaginavelmente vasto. Os sinais podem ser facilmente perdidos, e uma civilização alienígena teria que enviar um poderoso sinal de rádio para que possamos captá-lo. Mas é emocionante pensar que a descoberta de uma civilização alienígena poderá acontecer amanhã e mudar para sempre a nossa compreensão do universo.

5 Qualquer coisa pode viajar mais rápido que a velocidade da luz?

Desde que Einstein mudou a face da física com a sua teoria da relatividade especial, os físicos têm a certeza de que nada pode viajar mais rápido do que a velocidade da luz . Na verdade, a relatividade prevê que, para que qualquer coisa com massa viaje à velocidade da luz, é necessária energia infinita.

Vemos isso nos raios cósmicos de ultra-alta energia mencionados anteriormente. Eles têm energias extraordinárias em relação ao seu tamanho, mas ainda não viajam tão rápido. A velocidade da luz como limite rígido também pode explicar por que as comunicações de civilizações alienígenas são improváveis. Se também forem limitados por isso, os sinais poderão levar milhares de anos para chegar.

Mas as pessoas questionam continuamente se pode haver alguma maneira de contornar o limite de velocidade do universo. Em 2011, a experiência OPERA apresentou alguns resultados preliminares que sugeriam que os neutrinos viajavam mais rápido que a velocidade da luz. Mas os pesquisadores notaram mais tarde alguns erros adicionais em sua configuração experimental que confirmaram que os resultados estavam incorretos.

Se existisse alguma forma de comunicar matéria ou informação mais rápido do que a velocidade da luz, sem dúvida mudaria o mundo. Viajar mais rápido que a luz viola algo chamado causalidade – a relação entre as causas e os efeitos dos eventos. ^[6]

Devido à forma como o tempo e o espaço estão inter-relacionados na relatividade especial, a informação viajando mais rápido do que a velocidade da luz permitiria que uma pessoa recebesse informações sobre um evento antes que ele “acontecesse” (de acordo com eles) – um tipo de viagem no tempo.

Uma comunicação mais rápida que a luz criaria todo tipo de paradoxos que não sabemos como resolver. Portanto, parece provável que não exista. Mas se você conseguir desenvolvê-lo, conte-nos sobre isso ontem.

4 Podemos encontrar uma maneira de descrever a turbulência?

Voltando à Terra , ainda há muitas coisas que ocorrem em nossa vida cotidiana que são difíceis de entender. Experimente brincar com as torneiras da sua casa.

Se você deixar a água fluir suavemente, estará olhando para uma física resolvida – um tipo de fluxo que entendemos bem, chamado “fluxo laminar”. Mas se você aumentar a pressão da água até a pressão máxima e observá-la estalar e jorrar, estará diante de um exemplo de turbulência. Em muitos aspectos, a turbulência ainda é um problema não resolvido na física. ^[7]

A equação de Navier-Stokes determina como fluidos como água e ar devem fluir. Esta equação é um pouco como um equilíbrio de forças. Imaginamos que o fluido está dividido em pequenas parcelas de massa. Em seguida, a equação leva em conta todas as diversas forças que atuam sobre esta parcela – gravidade, atrito, pressão – e tenta determinar como a velocidade da parcela deve responder.

Para fluxos simples ou estacionários, podemos encontrar soluções para a equação de Navier-Stokes que descrevem completamente o fluxo. Os físicos podem então escrever uma equação que informa a velocidade (velocidade e direção) do fluido em qualquer ponto do fluxo.

Mas para fluxos complicados e turbulentos, estas soluções começam a falhar. Ainda podemos fazer muita ciência com fluxos turbulentos resolvendo as equações numericamente com grandes computadores. Isto dá-nos uma resposta aproximada sem uma fórmula que explique completamente como o fluido se comporta.

Prevemos o tempo desta forma. Mas até encontrarmos essas soluções elusivas, o nosso conhecimento será incompleto. A propósito, este é um dos problemas não resolvidos dos prêmios do Clay Institute. Então, se você conseguir, há um milhão de dólares para você.

3 Podemos construir um supercondutor à temperatura ambiente?

Os supercondutores podem ser alguns dos dispositivos e tecnologias mais importantes que os humanos já descobriram. São tipos especiais de materiais. Quando a temperatura cai o suficiente, a resistência elétrica do material cai para zero.

Isso significa que você pode obter correntes enormes para uma pequena aplicação de tensão no supercondutor. ^[8] Se você definir a corrente elétrica fluindo em um fio supercondutor, ela poderá continuar fluindo por bilhões de anos sem se dissipar porque não há resistência ao seu fluxo.

Uma boa quantidade de energia é perdida em nossos cabos de alimentação atuais. Eles não são supercondutores e possuem resistência elétrica, o que faz com que aqueçam quando uma corrente passa por eles. Os supercondutores poderiam reduzir essas perdas a zero.

Mas as possibilidades dos supercondutores são ainda mais excitantes do que isso. O campo magnético produzido por um fio tem uma intensidade que depende da corrente que flui através desse fio. Se você conseguir correntes muito altas em um supercondutor de maneira barata, poderá obter campos magnéticos realmente poderosos.

Esses campos estão sendo usados ​​atualmente no Grande Colisor de Hádrons para desviar as partículas carregadas que se movem rapidamente em torno de seu anel. Eles também são usados ​​em reatores experimentais de fusão nuclear, que poderão fornecer nossa eletricidade no futuro.

O problema é que todos os supercondutores conhecidos precisam estar nessas temperaturas muito baixas para funcionar. Mesmo os nossos supercondutores de temperatura mais quente precisam estar a -140 graus Celsius (-220 °F) antes de começarem a exibir esta propriedade maravilhosa.

Resfriá-los a essas baixas temperaturas geralmente requer nitrogênio líquido ou algo semelhante. Portanto, é muito caro fazer isso. Muitos físicos e cientistas de materiais em todo o mundo estão trabalhando no desenvolvimento do Santo Graal – um supercondutor que possa funcionar à temperatura ambiente. Mas ninguém conseguiu isso ainda.

2 Por que existe mais matéria do que antimatéria?

De certa forma, ainda não sabemos por que alguma coisa existe. Uma afirmação ousada, mas verdadeira! Para cada partícula, existe uma partícula igual e oposta chamada antipartícula. Portanto, para os elétrons, existem pósitrons . Para prótons, existem antiprótons. E assim por diante.

Se uma partícula tocar sua antipartícula, ela se aniquilará e se transformará em radiação . Já que você provavelmente não quer ser aniquilado, é bom que a antimatéria seja incrivelmente rara. Às vezes, cai em raios cósmicos. Também podemos produzir antimatéria em aceleradores de partículas por trilhões de dólares por grama. Mas, no geral, parece ser incrivelmente raro em nosso universo.

Este é um verdadeiro mistério. Simplesmente não sabemos porque é que a matéria domina o nosso universo e não a antimatéria. Todo processo conhecido que transforma energia (radiação) em matéria produz a mesma quantidade de matéria e antimatéria. Então, se o universo começou dominado pela energia, por que não produziu quantidades iguais de matéria e antimatéria?

Podemos imaginar um universo onde a energia se transforma em pares matéria-antimatéria. Então eles se aniquilariam e voltariam a ser energia para sempre. Mas não haveria estrutura, nem estrelas, nem vida.

Existem algumas teorias que podem explicar isso. Os cientistas que investigam as interações de partículas no Grande Colisor de Hádrons estão procurando exemplos de “violação de CP”.

Se ocorrerem, essas interações poderão mostrar que as leis da física são diferentes para partículas de matéria e antimatéria. ^[9] Então podemos imaginar que talvez existam processos por aí com uma probabilidade ligeiramente maior de produzir matéria do que antimatéria e é por isso que vemos um universo assimétrico dominado pela matéria.

As teorias mais selvagens sugerem que pode haver regiões inteiras do universo dominadas pela antimatéria. Curiosamente, pode ser mais difícil contestar isso do que você pensa.

A antimatéria e a matéria interagem com a radiação da mesma maneira e, portanto, têm exatamente a mesma aparência. Nossos telescópios não conseguiam distinguir entre uma galáxia de antimatéria e uma galáxia de matéria.

Mas estas teorias têm de explicar como a matéria e a antimatéria se separaram e por que não vemos evidências de muita radiação sendo produzida quando a matéria e a antimatéria colidem e se aniquilam.

A menos que descubramos evidências de galáxias de antimatéria, a violação do CP no universo primitivo parece ser a melhor solução. Mas ainda não sabemos exatamente como funciona.

1 Podemos ter uma teoria unificada?

No século 20, foram desenvolvidas duas grandes teorias que explicavam muito sobre a física. Uma delas era a mecânica quântica, que detalhava como pequenas partículas subatômicas se comportavam e interagiam. A mecânica quântica e o modelo padrão da física de partículas explicaram três das quatro forças físicas da natureza: o eletromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca. As suas previsões são surpreendentemente precisas, embora as pessoas ainda discutam sobre as implicações filosóficas da teoria.

A outra grande teoria foi a relatividade geral de Einstein, que explica a gravidade. Na relatividade geral, a gravidade ocorre quando a presença de massa curva o espaço e o tempo, fazendo com que as partículas sigam caminhos curvos devido ao espaço-tempo ser distorcido. Pode explicar coisas que ocorrem nas maiores escalas – a formação de galáxias e a dança das estrelas.

Há apenas um problema. As duas teorias são incompatíveis. Não podemos explicar a gravidade de uma forma que faça sentido com a mecânica quântica, e a relatividade geral não inclui os efeitos da mecânica quântica. Pelo que podemos dizer, ambas as teorias estão corretas. Mas eles não parecem funcionar juntos. ^[10]

Desde que isso foi percebido, os físicos têm trabalhado em algum tipo de solução que possa reconciliar as duas teorias. Isso é chamado de Grande Teoria Unificada (GUT) ou apenas Teoria de Tudo.

Os cientistas estão acostumados com a ideia de teorias que só funcionam dentro de certos limites. Por exemplo, as leis do movimento de Newton são o que você obtém quando considera um limite de baixa velocidade da relatividade especial . Além disso, a eletricidade e o magnetismo costumavam ser considerados teorias completamente diferentes até que Maxwell os unificou no eletromagnetismo.

Os físicos esperam poder “diminuir o zoom” e ver que a mecânica quântica e a relatividade geral fazem parte de uma teoria maior, como remendos numa colcha de retalhos. A teoria das cordas é uma tentativa que pode reproduzir características da relatividade geral e da mecânica quântica. Mas é difícil testar as suas previsões com experiências, por isso não podem ser confirmadas.

A busca por uma teoria fundamental – que possa explicar tudo – continua. Talvez nunca o encontremos. Mas se a física nos ensinou alguma coisa, é que o universo é verdadeiramente notável e que há sempre coisas novas para descobrir.