(Imagem: © LIGO / T. Pyle)
Como tenho certeza de que você pode entender, não sabemos muito sobre o universo extremamente primitivo.
Suspeitamos que ele passou por várias épocas de grande transformação – chamadas de transições de fase – que eventualmente levaram ao universo que conhecemos e amamos. Recentemente, uma equipe de físicos usou uma das ferramentas mais poderosas da teoria das cordas para lidar com essas mudanças de fase e revelou que estamos prestes a detectar diretamente esses eventos por meio de sua assinatura de onda gravitacional.
Uma nova fase
Existem quatro forças conhecidas da natureza. Dois deles são muito familiares para você: a força da gravidade e a força eletromagnética, que combinadas constituem a maior parte de nossas experiências cotidianas. Uma terceira, a força nuclear forte, é responsável por manter os núcleos atômicos unidos, mas, fora isso, seu alcance extremamente curto o impede de fazer muitas outras coisas dignas de nota. A quarta, a força nuclear fraca, é o que torna possível a decadência e as reações nucleares, o que é muito útil. Mas, por outro lado, essa força fica parada, cuidando da própria vida.
Essas quatro forças não poderiam ser mais diferentes umas das outras, mas uma das descobertas mais notáveis da física moderna é que todas podem ser manifestações da mesma força. Não posso simplesmente chamar essa força unificada de “a força”, porque o universo de “Guerra nas Estrelas” já adotou esse apelido, então teremos que nos contentar com “força unificada”.
Não sabemos se a força unificada realmente existe (ou existiu), mas fomos capazes de fundir duas das forças da natureza. Dentro de nossos experimentos com colisor de partículas de alta energia, as forças eletromagnética e nuclear fraca se fundem para se tornar uma força “eletrofraca” unificada.
E se nossos aceleradores de partículas podem realizar essa façanha, então certamente o universo pode. Quando nosso cosmos tinha menos de um segundo, era incrivelmente pequeno, quente e denso. Pequeno, quente e denso o suficiente para a força eletrofraca correr solta. Foi apenas quando o universo se expandiu e esfriou além desse ponto que as forças puderam se separar em suas identidades distintas.
Passeio áspero
Em nossos modelos mais simples, essa transição foi relativamente suave – um cruzamento fácil do regime eletrofraco para o universo das forças eletromagnéticas e nucleares fracas separadas. Mas nossos modelos mais simples de física, embora radicalmente bem-sucedidos, têm suas deficiências. Não somos capazes de explicar toda a variedade da física no universo (como, digamos, a massa do neutrino e a presença de matéria escura) com nossos modelos simples.
Modelos mais complexos (e mais hipotéticos) da física prevêem que a transição de fase que encerrou a época eletrofraca foi muito violenta. Em vez de uma transição universal estável, foi difícil e acidentado. Bolhas de novas forças se formaram, cresceram e se fundiram em uma liberação violenta de energia, com o universo explodindo em fúria caótica enquanto a força eletrofraca se separava de si mesma.
Mas, além da capacidade de dizer “sim, foi uma loucura”, as ferramentas da física moderna não estão à altura da tarefa de descrever aquela transição de fase violenta com mais detalhes. Nossa matemática não é boa o suficiente para rastrear todas as forças complexas e fortes que transformaram o universo.
A teoria das cordas para o resgate.
No holograma
Bem, não a teoria das cordas em si. A teoria das cordas é a nossa tentativa de descrever uma força unificada (e explicar toda a física com uma única teoria), mas não foi decifrada – ninguém foi capaz de resolver a matemática da teoria das cordas para realmente fazer previsões (que é meio importante para a ciência).
Mas nas décadas em que os físicos trabalharam para desvendar os mistérios da teoria das cordas (trocadilho intencional), eles encontraram uma técnica aparentemente poderosa. Alguns problemas que parecem intratávelmente difíceis podem ser transformados em perguntas relativamente simples e fáceis de resolver e, em seguida, transformados novamente para obter uma resposta.
O problema: você tem que pensar em dimensões superiores. Em nosso caso de tentar entender a maldade do universo primitivo, a difícil (e possivelmente impossível) matemática por trás da física da transição de fase pode ser transformada em um problema mais simples envolvendo relatividade geral – em cinco dimensões.
Não faz sentido. Por que esse truque funciona? Por que os problemas eletrofracos em quatro dimensões tornam-se problemas de gravidade em cinco? Nós não sabemos. Mas sabemos que essa abordagem pode ser louca o suficiente para funcionar, e uma equipe de físicos teóricos usou essa abordagem para modelar a física do universo inicial, conforme relatado em um artigo publicado recentemente no jornal pré-impresso arXiv.
Armados com esse truque “holográfico” ultramoderno (como a técnica é chamada, porque envolve a tradução de um conjunto de dimensões para outro sem perder informações), os teóricos foram capazes de rastrear a formação de bolhas durante a transição de fase eletrofraca. Eles descobriram que a formação de bolhas e a colisão resultam em uma tremenda liberação de ondas gravitacionais.
Essas ondulações no espaço-tempo podem persistir até os dias atuais. Mesmo que eles o tivessem rasgado como um pedaço de papel quando se formaram, hoje em dia eles mal conseguem empurrar um átomo. Ainda não temos sensibilidade para detectá-los, mas os pesquisadores descobriram que os detectores de ondas gravitacionais baseados no espaço, como a missão Antena Espacial de Interferômetro de Laser da Agência Espacial Europeia, ou LISA, o farão.
Quando o LISA estiver totalmente operacional (o que levará pelo menos mais algumas décadas), é possível que ele detecte essas ondas gravitacionais fracas que sobraram de quando as últimas das quatro forças da natureza se separaram. Sem a teoria holográfica, nunca teríamos sido capazes de fazer esse tipo de previsão, e as épocas mais antigas e violentas da história do cosmos ainda permaneceriam um mistério.
Publicado em 13/01/2021 22h16
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