A IDEIA SIMPLES ATRÁS DAS GRANDES DESCOBERTAS DE EINSTEIN

Os frutos claros dos insights seculares de Albert Einstein estão agora profundamente enraizados na imaginação popular: buracos negros, deformações no tempo e buracos de minhoca aparecem regularmente como pontos de trama em filmes, livros e programas de TV. Ao mesmo tempo, eles alimentam pesquisas de ponta, ajudando os físicos a questionar a natureza do espaço, do tempo e até mesmo da própria informação.

Talvez, ironicamente, o que é indiscutivelmente a parte mais revolucionária do legado de Einstein raramente chama a atenção. Não tem nenhum respingo de ondas gravitacionais, a atração de buracos negros ou mesmo o charme de quarks. Mas, à espreita por trás da cortina de todos esses fenômenos exóticos, há uma ideia enganosamente simples que puxa as alavancas, mostra como as peças se encaixam e ilumina o caminho à frente.

A ideia é a seguinte: algumas mudanças não alteram nada. Os aspectos mais fundamentais da natureza permanecem os mesmos, mesmo quando aparentemente mudam de forma de maneiras inesperadas. Os artigos de 1905 de Einstein sobre a relatividade levaram à conclusão inconfundível, por exemplo, de que a relação entre energia e massa é invariante, embora a própria energia e massa possam assumir formas muito diferentes. A energia solar chega à Terra e se torna massa na forma de folhas verdes, criando alimentos que podemos comer e usar como combustível para o pensamento. (“O que é essa nossa mente: quais são esses átomos com consciência?” Perguntou o falecido Richard Feynman. “Batatas da semana passada!”) Esse é o significado de E = mc2. O "c" representa a velocidade da luz, um número muito grande, por isso não é preciso muita coisa para produzir uma enorme quantidade de energia; na verdade, o sol transforma milhões de toneladas de massa em energia a cada segundo.

Essa infindável transformação de matéria em energia (e vice-versa) alimenta o cosmos, a matéria e a vida. No entanto, apesar de tudo, o conteúdo de matéria de energia do universo nunca muda. É estranho, mas é verdade: a matéria e a energia em si são menos fundamentais do que os relacionamentos subjacentes entre elas.

Nós tendemos a pensar nas coisas, não nos relacionamentos, como o coração da realidade. Mas na maioria das vezes, o oposto é verdadeiro. "Não é o material", disse o físico da Brown University Stephon Alexander.

O mesmo é verdadeiro, mostrou Einstein, para “coisas” como espaço e tempo, aspectos aparentemente estáveis ​​e imutáveis ​​da natureza; na verdade, é a relação entre espaço e tempo que permanece sempre a mesma, mesmo quando os contratos de espaço e o tempo se dilatam. Como energia e matéria, espaço e tempo são manifestações mutáveis ​​de fundamentos mais profundos e inabaláveis: as coisas que nunca variam, não importa o quê.

"A visão profunda de Einstein era de que o espaço e o tempo são basicamente construídos pelas relações entre as coisas", disse o físico Robbert Dijkgraaf, diretor do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, em Nova Jersey, onde Einstein passou suas últimas décadas.

A relação que mais importava para o legado de Einstein era a simetria. Os cientistas frequentemente descrevem as simetrias como mudanças que realmente não modificam nada, diferenças que não fazem diferença, variações que deixam os relacionamentos profundos invariantes. Exemplos são fáceis de encontrar na vida cotidiana. Você pode girar um floco de neve em 60 graus e ele será o mesmo. Você pode trocar de lugar em uma gangorra e não perturbar a balança. Simetrias mais complicadas levaram os físicos à descoberta de tudo, de neutrinos a quarks - eles até levaram à própria descoberta de Einstein de que a gravitação é a curvatura do espaço-tempo, que, sabemos agora, pode se enroscar em buracos negros .

Nas últimas décadas, alguns físicos começaram a questionar se o foco na simetria ainda é tão produtivo quanto costumava ser. Novas partículas previstas por teorias baseadas em simetrias não apareceram em experimentos como esperado, e o bóson de Higgs que foi detectado era muito leve para se encaixar em qualquer esquema simétrico conhecido. A simetria ainda não ajudou a explicar por que a gravidade é tão fraca, porque a energia do vácuo é tão pequena ou porque a matéria escura permanece transparente.

"Houve, na física de partículas, esse preconceito de que a simetria está na raiz de nossa descrição da natureza", disse o físico Justin Khoury, da Universidade da Pensilvânia. “Essa ideia tem sido extremamente poderosa. Mas quem sabe? Talvez tenhamos mesmo que desistir desses princípios belos e queridos que funcionaram tão bem. Então é um momento muito interessante agora. ”

Luz
Einstein não estava pensando em invariância ou simetria quando escreveu seus primeiros artigos sobre a relatividade em 1905, mas historiadores especulam que seu isolamento da comunidade física durante seu emprego no escritório de patentes suíço poderia tê-lo ajudado a enxergar além das armadilhas desnecessárias .

Como outros físicos de seu tempo, Einstein estava ponderando vários quebra-cabeças aparentemente não relacionados. As equações de James Clerk Maxwell revelando a conexão íntima entre campos elétricos e magnéticos pareciam muito diferentes em diferentes quadros de referência - seja um observador em movimento ou em repouso. Além disso, a velocidade com que os campos eletromagnéticos se propagavam pelo espaço correspondia quase exatamente à velocidade da luz repetidamente medida pelos experimentos - uma velocidade que não mudava, não importava o quê. Um observador poderia estar correndo em direção à luz ou se afastando dela, e a velocidade não variava.

Einstein ligou os pontos: a velocidade da luz era uma manifestação mensurável da relação simétrica entre campos elétricos e magnéticos - um conceito mais fundamental do que o próprio espaço. A luz não precisava de nada para viajar porque eram campos eletromagnéticos em movimento. O conceito de "em repouso" - o "espaço vazio" estático inventado por Isaac Newton - era desnecessário e sem sentido. Não havia universal "aqui" ou "agora": os eventos poderiam aparecer simultaneamente para um observador, mas não para outro, e ambas as perspectivas estariam corretas.


Perseguir um feixe de luz produziu outro efeito curioso, o assunto do segundo artigo de relatividade de Einstein, “A inércia de um corpo depende do seu conteúdo de energia?” A resposta foi sim. Quanto mais rápido você perseguir, mais difícil é ir mais rápido. A resistência à mudança torna-se infinita à velocidade da luz. Como a resistência é inércia e a inércia é uma medida de massa, a energia do movimento é transformada em massa. "Não há distinção essencial entre massa e energia", escreveu Einstein.

Levou vários anos para Einstein aceitar que o espaço e o tempo são fios inextricavelmente entrelaçados de um único tecido espaço-temporal, impossíveis de desembaraçar. "Ele ainda não estava pensando em um tipo de espaço-tempo totalmente unificado", disse David Kaiser, físico e historiador da ciência no Instituto de Tecnologia de Massachusetts.

O espaço-tempo unificado é um conceito difícil de envolver nossas mentes. Mas começa a fazer sentido se pensarmos no verdadeiro significado de “velocidade”. A velocidade da luz, como qualquer velocidade, é um relacionamento - distância percorrida ao longo do tempo. Mas a velocidade da luz é especial porque não pode mudar; seu feixe de laser não avançará mais rápido apenas porque é disparado de um satélite em alta velocidade. Medidas de distância e tempo devem, portanto, mudar, dependendo do estado de movimento, levando a efeitos conhecidos como “contração do espaço” e “dilatação do tempo”. O invariante é: não importa o quão rápido duas pessoas estão viajando em relação uma à outra. , eles sempre medem o mesmo “intervalo espaço-temporal”. Sentado à sua mesa, você se arrasta no tempo, dificilmente no espaço. Um raio cósmico voa sobre vastas distâncias quase à velocidade da luz, mas atravessa quase sem tempo, permanecendo sempre jovem. As relações são invariantes, não importa como você muda as coisas.

Gravidade
A teoria da relatividade especial de Einstein, que veio primeiro, é "especial" porque se aplica apenas ao movimento constante e imutável através do espaço-tempo - não acelerando o movimento como o movimento de um objeto caindo em direção à Terra. Incomodou Einstein que sua teoria não incluísse a gravidade, e sua luta para incorporá-la tornou a simetria central em seu pensamento. "Quando ele chega à relatividade geral, ele investiu muito mais nessa noção de invariantes e intervalos de tempo-espaço que deveriam ser os mesmos para todos os observadores", disse Kaiser.

Especificamente, Einstein ficou intrigado com uma diferença que não fazia diferença, uma simetria que não fazia sentido. Ainda é surpreendente derrubar um maço de papel encrespado e um conjunto de chaves pesadas lado a lado para ver que, de alguma forma, quase magicamente, eles atingem o solo simultaneamente - como Galileu demonstrou (pelo menos de maneira apócrifa), largando bolas leves e pesadas da torre. em Pisa. Se a força da gravidade depende da massa, então quanto mais massivo for um objeto, mais rápido ele deve sensatamente cair. Inexplicavelmente, isso não acontece.

O principal insight chegou a Einstein em um de seus famosos experimentos mentais. Ele imaginou um homem caindo de um prédio. O homem estaria flutuando tão feliz quanto um astronauta no espaço, até que o chão ficasse em seu caminho. Quando Einstein percebeu que uma pessoa caindo livremente se sentiria sem peso, ele descreveu a descoberta como o pensamento mais feliz de sua vida. Demorou um pouco para ele definir os detalhes matemáticos da relatividade geral, mas o enigma da gravidade foi resolvido assim que ele mostrou que a gravidade é a curvatura do próprio espaço-tempo, criada por objetos massivos como a Terra. Objetos de "queda" próximos, como o homem imaginário de Einstein ou as bolas de Galileu, simplesmente seguem o caminho do espaço-tempo esculpido para eles.

Quando a relatividade geral foi publicada pela primeira vez, 10 anos após a versão especial, surgiu um problema: parecia que a energia não poderia ser conservada em espaço-tempo fortemente curvado. Era bem conhecido que certas quantidades na natureza são sempre conservadas: a quantidade de energia (incluindo energia na forma de massa), a quantidade de carga elétrica, a quantidade de momento. Em um feito notável de alquimia matemática, o matemático alemão Emmy Noether provou que cada uma dessas quantidades conservadas está associada a uma simetria específica, uma mudança que não muda nada.

Noether mostrou que as simetrias da relatividade geral - sua invariância sob transformações entre diferentes referenciais - garantem que a energia seja sempre conservada. A teoria de Einstein foi salva. Noether e simetria ocuparam o centro da física desde então.

Matéria
Post Einstein, a atração da simetria só se tornou mais poderosa. Paul Dirac, tentando tornar a mecânica quântica compatível com os requisitos de simetria da relatividade especial, encontrou um sinal negativo em uma equação sugerindo que a "antimatéria" deve existir para equilibrar os livros. Isso acontece. Logo depois, Wolfgang Pauli, em uma tentativa de explicar a energia que parecia desaparecer durante a desintegração de partículas radioativas, especulou que talvez a energia que faltava fosse levada por alguma partícula desconhecida e elusiva. Foi, e essa partícula é o neutrino.

A partir dos anos 1950, os invariances ganharam vida própria, tornando-se cada vez mais abstratos, “pulando para fora”, como Kaiser colocou, a partir das simetrias do espaço-tempo. Essas novas simetrias, conhecidas como invariâncias “de calibre”, tornaram-se extremamente produtivas, “fornecendo o mundo”, disse Kaiser, exigindo a existência de tudo, de bósons W e Z a glúons. "Porque pensamos que há uma simetria tão fundamental que tem que ser protegida a todo custo, inventamos coisas novas", disse ele. A simetria de medida "determina quais outros ingredientes você deve introduzir". É basicamente o mesmo tipo de simetria que nos diz que um triângulo invariável sob rotações de 120 graus deve ter três lados iguais.

As simetrias de calibre descrevem a estrutura interna do sistema de partículas que povoa o nosso mundo. Eles indicam todas as maneiras pelas quais os físicos podem mudar, girar, distorcer e geralmente bagunçar suas equações sem variar nada importante. "A simetria diz-lhe quantas maneiras você pode mudar as coisas, mudar a forma como as forças funcionam e isso não muda nada", disse Alexander. O resultado é uma espiada no andaime escondido que suporta os ingredientes básicos da natureza.

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A abstração das simetrias de calibre causa um certo desconforto em alguns trimestres. "Você não vê todo o aparelho, só vê o resultado", disse Dijkgraaf. "Eu acho que com simetrias de calibre ainda há muita confusão".

Para complicar o problema, as simetrias de medida produzem uma infinidade de maneiras de descrever um único sistema físico - uma redundância, como o físico Mark Trodden, da Universidade da Pensilvânia, colocou. Essa propriedade das teorias de calibre, explicou Trodden, torna os cálculos “diabolicamente complicados”. Páginas e páginas de cálculos levam a respostas muito simples. “E isso faz você se perguntar: por quê? De onde vem toda essa complexidade no meio? E uma resposta possível para isso é essa redundância de descrição que as simetrias de medida lhe dão ”.

Tal complexidade interna é o oposto do que a simetria normalmente oferece: simplicidade. Com um padrão de azulejos que se repete, "basta olhar para um pouquinho e prever o restante", disse Dijkgraaf. Você não precisa de uma lei para a conservação de energia e outra para o assunto em que apenas uma fará. O universo é simétrico na medida em que é homogêneo em grandes escalas; não tem esquerda nem direita, para cima ou para baixo. "Se não fosse esse o caso, a cosmologia seria uma grande bagunça", disse Khoury.

Simetrias Quebradas
O maior problema é que a simetria, como agora é entendida, parece não responder a algumas das maiores questões da física. É verdade que a simetria dizia aos físicos onde procurar tanto o bóson de Higgs quanto as ondas gravitacionais - duas importantes descobertas da última década. Ao mesmo tempo, o raciocínio baseado em simetria previu uma série de coisas que não apareceram em nenhum experimento, incluindo as partículas “supersimétricas” que poderiam ter servido como matéria escura faltante do cosmo e explicado por que a gravidade é tão fraca comparada ao eletromagnetismo. e todas as outras forças.

Em alguns casos, as simetrias presentes nas leis subjacentes da natureza parecem estar quebradas na realidade. Por exemplo, quando a energia se congela na matéria através do bom e velho E = mc2, o resultado é quantidades iguais de matéria e antimatéria - uma simetria. Mas se a energia do Big Bang criava matéria e antimatéria em quantidades iguais, eles deveriam ter aniquilado um ao outro, não deixando nenhum traço de matéria para trás. Ainda estamos aqui.

A simetria perfeita que deveria ter existido nos primeiros momentos quentes do universo de alguma forma foi destruída enquanto esfriava, assim como uma gota de água perfeitamente simétrica perde um pouco da sua simetria quando se congela no gelo. (Um floco de neve pode parecer o mesmo em seis orientações diferentes, mas um floco de neve derretido parece o mesmo em todas as direções.)

"Todo mundo está interessado em simetrias espontaneamente quebradas", disse Trodden. "A lei da natureza obedece a uma simetria, mas a solução em que você está interessado não."

Mas o que quebrou a simetria entre matéria e antimatéria?

Não seria uma surpresa para ninguém se a física de hoje se mostrasse sobrecarregada com andaimes desnecessários, muito parecido com a noção de “espaço vazio” que mal direcionava as pessoas antes de Einstein. A má orientação de hoje, alguns pensam, pode até ter a ver com a obsessão com a simetria em si, pelo menos como é entendida atualmente.

Muitos físicos têm explorado uma ideia intimamente relacionada à simetria chamada “dualidade”. As dualidades não são novas para a física. A dualidade onda-partícula - o fato de que o mesmo sistema quântico é melhor descrito como uma onda ou uma partícula, dependendo do contexto - existe desde o início da mecânica quântica. Mas as dualidades recém-descobertas revelaram relacionamentos surpreendentes: por exemplo, um mundo tridimensional sem gravidade pode ser matematicamente equivalente, ou dual, a um mundo quadridimensional com gravidade.

Se as descrições de mundos com números diferentes de dimensões espaciais são equivalentes, então “uma dimensão em algum sentido pode ser considerada fungível”, disse Trodden.

“Essas dualidades incluir elementos-o número de dimensões-pensamos sobre como invariantes,” Dijkgraaf disse, “mas eles não são.” A existência de duas descrições equivalentes com todos os cálculos de atendimento levanta “um ponto muito profundo, quase filosófico: é Existe uma maneira invariante de descrever a realidade física?

Ninguém está desistindo de simetria em breve, em parte porque ele provou tão poderoso e também porque renunciar a ela significa, para muitos físicos, desistindo de “naturalidade” -a ideia de que o universo tem que ser exatamente do jeito que é para um Por isso, a mobília estava arrumada de maneira tão impecável que você não podia imaginar de outra maneira.

Claramente, alguns aspectos da natureza - como as órbitas dos planetas - são o resultado da história e do acidente, não da simetria. A evolução biológica é uma combinação de mecanismos conhecidos e acaso. Talvez Max Born estivesse certo quando respondeu à persistente objeção de Einstein de que “Deus não joga dados” ao apontar que “a natureza, assim como os assuntos humanos, parece estar sujeita tanto à necessidade quanto ao acidente”.

Certos aspectos da física terão que permanecer intactos - causalidade, por exemplo. "Os efeitos não podem preceder as causas", disse Alexander. Outras coisas quase certamente não serão.

Um aspecto que certamente não desempenhará um papel fundamental no futuro é a velocidade da luz, que fundamentou o trabalho de Einstein. O tecido liso do espaço-tempo que Einstein tecera há um século inevitavelmente é rasgado em pedaços dentro de buracos negros e no momento do Big Bang. "A velocidade da luz não pode permanecer constante se o espaço-tempo estiver desmoronando", disse Alexander. "Se o espaço-tempo está desmoronando, o que é invariante?"

Certas dualidades sugerem que o espaço-tempo emerge de algo ainda mais básico, a relação mais estranha de todas: o que Einstein chamou de conexões “assustadoras” entre partículas quânticas emaranhadas. Muitos pesquisadores acreditam que esses links de longa distância unem o espaço-tempo. Como Kaiser coloca, "A esperança é que algo como um continuum de espaço-tempo emergiria como um efeito secundário de relações mais fundamentais, incluindo relações de entrelaçamento". Nesse caso, ele disse, o espaço-tempo clássico e contínuo seria um "ilusão."

O ponto alto para novas idéias é que elas não podem contradizer teorias consistentemente confiáveis ​​como a mecânica quântica e a relatividade - incluindo as simetrias que as sustentam.

Einstein uma vez comparou a construção de uma nova teoria para escalar uma montanha. De uma perspectiva mais alta, você pode ver a antiga teoria ainda em pé, mas ela está alterada e você pode ver onde ela se encaixa na paisagem maior e mais inclusiva. Em vez de pensar, como Feynman sugeriu, com as batatas da semana passada, os futuros pensadores podem ponderar sobre a física usando a informação codificada em enredamentos quânticos, que tecem o espaço-tempo para cultivar batatas em primeiro lugar.

Original story reimpresso com permissão da Quanta Magazine, uma publicação editorial independente da Simons Foundation, cuja missão é melhorar a compreensão pública da ciência, abrangendo desenvolvimentos de pesquisa e tendências em matemática e ciências físicas e da vida.

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