A terceira revolução na Física

Uma nova revolução na física está em andamento. É dela que trataremos nesse texto que é consequência de um trabalho recente onde eu e meu colaborador Vicente Antunes analisamos mais de 100 artigos em revistas científicas internacionais relacionados à extrapolação das leis físicas terrestres ao universo. A maior parte desses artigos tratam da deformação que essas leis sofrem ao serem aplicadas em configurações de campo gravitacional muito intenso, como aqueles que existem no universo profundo. Iremos transportar aquelas questões técnicas para uma linguagem simples, de tal modo que mesmo as pessoas que não são especialistas em cosmologia ou física possam acessar os conhecimentos que os cientistas têm realizado nas últimas décadas. Ao final desse texto acrescentamos referências -subsídios técnicos – de tal modo que os interessados em aprofundar esses argumentos possam ter acesso a eles.

REVOLUCÕES NA FISICA DO SÉCULO 20: RELATIVIDADE E QUANTUM

Na virada para o século 20 uma crise que se prolongava por mais de um século foi finalmente dissolvida, dando origem a uma profunda restruturação da física. Duas grandes revoluções começavam a aparecer no cenário da física, devido a dificuldades em explicar certos fenômenos.Um deles envolvia uma disputa sobre o valor da velocidade da luz. Diversas experiências apontavam para um valor extremo e constante, independente do estado de repouso ou movimento do observador.

Além disso, acirrava-se uma discussão sobre o verdadeiro caráter da luz, se ela deveria ser entendida como onda ou partícula.

A compreensão dessas questões fez surgir duas grandes teorias: a relatividade e a quântica.

Na formulação da relatividade especial, transforma-se a estrutura estática de um espaço absoluto tridimensional e um tempo absoluto em um espaço-tempo a quatro dimensões, igualmente absoluto.

O passo mais crucial dessa teoria foi o abandono da tradicional geometria euclidiana e a aceitação de uma geometria mais geral, uma particular geometria riemanniana, plana, isto é, de curvatura nula, que recebeu o nome de geometria de Minkowski.

Nessa nova estrutura, a métrica não impõe que a distância entre dois pontos do espaço-tempo seja sempre positiva definida, como acontece na geometria de Euclides. Ou seja, uma distância entre dois pontos do espaço-tempo pode ser nula mesmo que esses pontos não coincidam. Essa foi a principal alteração na estrutura da geometria produzida pela junção do tempo às três coordenadas espaciais que passou a representar os fenômenos, localizados como pontos quadridimensionais, configurando o espaço-tempo.

A partir desse momento, as questões da física são estabelecidas sobre esse pano de fundo da geometria de Minkowski, desde que não consideremos efeitos gravitacionais.

Quanto à gravitação, ela foi posteriormente associada a alterações na geometria, retirando o caráter absoluto da métrica de Minkowski, no que ficou conhecida como teoria da Relatividade Geral.

Por outro lado, durante um longo tempo a caracterização da luz como onda ou partícula dividiu a comunidade científica até que ficou claro que o comportamento da luz depende do valor de sua energia. Quando o comprimento de onda da luz (o inverso de sua frequência) é extremamente pequeno, sua energia extremamente elevada, sua aparência como corpúsculo predomina. Quando ele for grande, seu caráter ondulatório aparece claramente.

O físico francês Louis de Broglie fez então uma analogia inusitada que resultou ter enormes consequências na evolução da teoria quântica.

Sem medo de lançar uma ideia que seus colegas consideravam fantasiosa, de Broglie propôs que, assim como a luz pode ser descrita por uma dualidade de configuração (onda-corpúsculo) por que não imaginar que essa dualidade possa se estender igualmente para toda a matéria?

Ou seja, aquilo que percebemos como uma partícula a nível microscópico, poderia ser atribuída característica de uma onda. Essa esdrúxula ideia resultou ser extremamente frutífera.

Tão logo apareceram, tanto a teoria da relatividade quanto a quântica, foram alvo de críticas violentas por alguns célebres cientistas que ocupavam importantes posições na comunidade científica.

Em verdade, uma tal resistência é até mesmo esperada, quando se trata de uma mudança radical na compreensão dos fenômenos. Mais ainda quando se é obrigado a usar uma linguagem completamente nova, até mesmo para os físicos, como foi o caso da teoria quântica.

Talvez devêssemos lembrar que em alguns artigos de divulgação, comentários segundo os quais, depois do estabelecimento e aceitação completa daquelas duas revoluções pelo establishment, nada de fundamental teria acontecido na física.

No entanto, temos hoje motivos suficientes para acreditar que estamos no centro da eclosão de uma terceira revolução na física.

É verdade que apareceram, aqui e ali, conjecturas segundo as quais uma eventual terceira revolução deveria ser considerada, como consequência do enorme desenvolvimento tecnológico ocorrido no século 20, graças ao aperfeiçoamento do poder de cálculo e da sofisticação dos computadores.

Uma análise, mesmo que superficial, desse progresso tecnológico, torna evidente que essas novas técnicas, limitam-se a facilitar os modos de produção cientifica, não produzem as ideias que, essas sim, são capazes de causar modificações fundamentais de nosso conhecimento sobre o universo.

TERCEIRA REVOLUÇÃO: A VARIAÇÃO DAS LEIS FISICAS NO COSMOS

Isso dito, qual seria então essa terceira revolução, de onde ela surgiria? Do microcosmos? Das propriedades elementares da matéria ou das estruturas globais do espaço-tempo cósmico?

Em verdade, de ambas, ao reconhecermos a interação profunda entre as propriedades locais e globais que tem origem na solidariedade do cosmos.

A dependência cósmica das leis físicas terrestre é consequência direta da ação da gravitação.  Ela aparece quando essas leis são extrapoladas para o universo profundo onde a gravitação assume valores extremamente elevados.

É precisamente a interação da matéria com um campo gravitacional intenso—através da curvatura do espaço-tempo– que provoca essa alteração no comportamento dinâmico das leis.

Do ponto de vista observacional, tudo se passa como se houvesse uma dependência com o tempo cósmico das leis físicas. Isso nos leva a reconhecer que no universo profundo devemos transformar as leis físicas em leis cósmicas.

É essa situação que institucionaliza o que chamamos de terceira revolução na física e que deve ser acrescentada àquelas duas outras revoluções do século 20, as teorias da relatividade e dos quanta.

Assim como nos casos das duas revoluções anteriores, essa também tem provocado uma forte reação contrária, com físicos conservadores negando evidências dessa caracterização, agarrando-se a interpretações antigas que constituem verdadeiros obstáculos ao desenvolvimento da análise do universo.

Isso não é uma novidade. Os cientistas, assim como ocorre em outras profissões, agarram-se compulsivamente às certezas anteriores, bem estabelecidas e dificultam quanto lhes for possível, a aceitação de novas interpretações sobre os fenômenos.

No entanto, essa terceira revolução tem uma natureza diferente das anteriores e uma dificuldade nova aparece, pois contrariamente às duas revoluções anteriores – cujas críticas veementes puderam ser respondidas com os resultados de experiências preparadas em laboratório terrestre — no caso da terceira revolução, como ela depende da dinâmica do universo, a situação é mais complexa.

Com efeito, devido ao caráter universal da gravitação e o fato de que ela é sempre atrativa, ela não permite realizar experiências preparadas, como nos demais processos físicos. A análise do universo gravitacional só pode ser feita através de observações não controladas.

Uma outra diferença importante separa essa terceira revolução das duas anteriores. Aquelas, foram produzidas graças a uns poucos físicos; no caso dessa terceira, um número bem maior de cientistas têm contribuído para sua complexa caracterização, na análise sob múltiplas formas, da variação das leis no universo.

COSMOLOGIA: DOBIGBANG AO UNIVERSO ETERNO

Uma teoria da gravitação funda uma nova cosmologia. Logo depois que Einstein transformou a gravitação newtoniana em uma alteração da geometria do espaço-tempo, ele foi levado a aplicar sua nova visão da interação gravitacional que domina o cenário cósmico, na construção de uma cosmologia, um modelo de universo.

Como não havia nenhuma observação de caráter global a guiá-lo nessa tarefa, teve que optar por alguma ideia apriorística sobre como deveria ser a configuração típica do universo.

Há quem acredite que o estado de repouso, o imobilismo, é mais aceitável do que o movimento, que possui inúmeras possibilidades. O estado de quietude é único. O estado em movimento é múltiplo.  O argumento que serve de apoio a essa crença considera que ao atingir esse estado especial – o imobilismo – ter-se-ia completado uma ação, um processo, que o teria levado à condição estática. O estado inerte seria então o modo mais natural de realizar o fim de um périplo.

Essa imagem de quietude, Einstein a empregou para servir de guia em sua exploração de uma cosmologia. No entanto, logo em seguida foi compreendido que esse cenário proposto por ele não pode representar nosso universo. A quietude não é estável. Tudo está em constante mutação. Isso ocorre nos fenômenos terrestres, nas relações humanas, na sociedade, e de modo semelhante, no cosmos. Mesmo o vazio (quântico) é instável. Por isso a afirmação de que o universo estava condenado a existir. O vazio não permanece como tal.

Seria então inesperado e singular que, indo em direção oposta a esse contínuo movimento, as leis físicas terrestres não o acompanhassem, e conservar-se-iam estaticamente as mesmas em todo espaço-tempo global.

Ou seja, somos levados a perguntar o que acontece em um universo dinâmico com as leis físicas terrestres, como elas poderiam ser alteradas nesse turbilhão cósmico, nesse dinamismo universal.

RUMO A UMA NOVA REVOLUÇÃO: DAS LEIS FISICAS ÀS LEIS CÓSMICAS

A extensão da validade de uma lei da física para além de seu território observável sempre foi considerada como um procedimento natural. Essa regra de gerar uma extensão de uma determinada lei, embora tenha sido entendida nos primeiros tempos como um protocolo permissivo, tornou-se mais do que um simples procedimento simplificador, adquirindo um caráter absoluto, proibindo a análise de propostas alternativas, mesmo naqueles domínios onde não se tem dados observacionais confiáveis. Uma reação a essa atitude estática, contrária a uma visão conservadora, levou em um primeiro momento, alguns poucos cientistas a fazerem propostas de transformação das leis físicas no universo e, posteriormente, a uma nova linha de investigação.

Por uma questão de simplificação, separamos a análise dessas sugestões alternativas em três fases históricas, a saber:

• Fase 1: dependência temporal das constantes físicas (anos 1930);
• Fase 2: mudança de algumas teorias específicas (anos 1950);
• Fase 3: dependência cósmica geral das leis da física (século 21).

OS PRECURSORES  

Na primeira fase as propostas foram bastante ingênuas, baseadas em argumentos simplistas, sem uma estrutura formal sólida que lhes daria sustentação. Como exemplo, podemos citar a hipótese de Dirac dos anos 1930, que sugere aceitar a dependência da constante de Newton com o tempo cósmico. Do mesmo período apareceu a hipótese, igualmente simplista, de Sambursky, de variação da constante de Planck, a característica fundamental do mundo quântico.

Mais tarde, na década de 50, a sugestão de Dirac adquiriu respeitável embasamento teórico, ao se transformar em uma modificação da relatividade geral para o que foi chamado de teoria escalar-tensorial da gravitação.

Depois desse início singular, durante mais de meio século sem que essa análise tivesse atraído a comunidade científica, começaram a aparecer diferentes modos de estender e transformar aquelas duas propostas iniciais em um verdadeiro território de investigação intensa. As fases 2 e 3 começaram a se desenvolver.

A razão por trás dessas análises e sugestões se deveu a que, ao invés  da aceitação ingênua da universalidade das leis físicas terrestre, começou-se a perguntar se seria possível não haver efeito da evolução das propriedades métricas do espaço-tempo sobre as leis da física em um universo dinâmico, com uma geometria variável, cuja curvatura depende do tempo cósmico.

Uma resposta simples, negando qualquer modificação, dominou o pensamento dos físicos em grande parte do século 20, desde os primeiros momentos de construção da relatividade geral, apoiando-se na aceitação da transformação do princípio da equivalência em um construtor de leis.

Segundo esse princípio, localmente, é sempre possível anular o efeito da gravitação sobre qualquer forma de matéria e/ou energia, por uma simples transformação de representação do campo gravitacional.

Do ponto de vista técnico, isso é equivalente a aceitar que a curvatura da geometria do espaço-tempo não participa da interação com a matéria. Como essa curvatura, na vizinhança terrestre e sobre a Terra é muito fraca, nenhum efeito capaz de violar essa hipótese foi efetivamente observado.

No entanto, quando se trata de campos gravitacionais fortes, onde a curvatura da métrica é bastante elevada, essa regra pode ser violada. É exatamente através de processos dessa forma – isto é, onde a interação gravitacional com a matéria envolve a curvatura – que efeitos de variação das leis físicas aparecem.

A reação à utilização do princípio de equivalência como gerador das leis de interação matéria-gravitação, levou diretamente à terceira fase, que faz do acoplamento não mínimo (resultado da influência da curvatura do espaço-tempo sobre a dinâmica dos corpos materiais e energias sob qualquer forma) com a gravitação, o verdadeiro gerador das leis cósmicas, produzindo modificações espaço-temporal das leis da física.

A NOVA COMPREENSÃO DA ORDEM CÓSMICA QUE EMERGE DA DEPENDÊNCIA TEMPORAL DAS LEIS FISICAS

No Manifesto Cósmico ficamos conhecendo a proposta do matemático e filósofo francês Albert Lautmann da solidariedade cósmica. Esse conceito permitiu entender a coerência das leis físicas em um universo dinâmico, organizando a compatibilidade formal entre o local e o global.

As leis físicas foram estruturadas e consolidadas por experiências realizadas na Terra e suas vizinhanças, onde o campo gravitacional é bastante fraco. Nessa região, é possível reconhecer que os efeitos gravitacionais envolvendo explicitamente a curvatura do espaço-tempo podem ser desprezados e que, portanto, os efeitos da gravitação sobre os corpos podem ser localmente eliminados por uma simples escolha de representação.

A constância das leis físicas terrestre se deve ao procedimento adotado pelos físicos de organizá-las a partir de situações nas quais a curvatura do espaço-tempo não desempenha papel importante na dinâmica da matéria.

A influência da gravitação se daria somente através de um processo – chamado acoplamento mínimo – onde a única referência ao campo gravitacional é feita através de derivadas estendidas. Essas derivadas envolvem um objeto matemático chamado conexão. É essa conexão que localmente pode ser eliminada da interação com a matéria por uma escolha conveniente de sistema de coordenadas.

Os matemáticos, desde Riemann, sabem como tratar essas quantidades que são chamadas pseudo-tensores, precisamente por essa propriedade que relaciona seu valor à escolha do sistema de coordenadas usado.

Quando, ao contrário, a influência da curvatura é suficientemente grande, capaz de alterar o movimento dos corpos, então a dependência temporal dessas leis aparece claramente.

Devemos então, para evitar expressões dúbias, modificar o que chamamos lei física pela expressão lei cósmica. Note que não se trata somente de uma alteração de representação, mas sim, para afirmar que a lei física não pode ser extrapolada sem ser alterada. Damos o nome de lei cósmica a essa alteração.

Embora os físicos não tenham se debruçado sobre essa análise referente à possível variação das leis físicas, a não ser nas últimas décadas, os matemáticos já haviam revelado essa possibilidade formalmente, há mais de meio século. Com efeito, podemos citar o comentário feito pelo matemático francês Élie Cartan, no inicio de 1930, segundo o qual a dificuldade que Einstein encontrava em seu programa de unificação dos campos de interação na natureza, está intimamente relacionada à ausência, em sua análise, das questões referentes à estrutura global do espaço-tempo.

É Cartan quem afirma: …”la recherche des lois locales de la Physique ne peut être dissocié du problème cosmogonique. On ne peut du reste pas dire que l´un précède l´autre ; ils sont inextricablement mêlés l´un, à l´autre. »

Ou seja, os matemáticos imaginaram, de modo intuitivo e correto, que a questão de unificação passa pela caracterização das propriedades globais do universo, ou seja, sua topologia. Um passo nessa direção começou precisamente quando os físicos procuraram se libertar das amarras do principio de equivalência e iniciaram uma sistemática investigação dos efeitos da curvatura do espaço-tempo sobre a dinâmica dos corpos. E, de modo mais amplo, das relações entre as propriedades globais do universo e suas propriedades locais, ou seja, ir além da descrição usual dos fenômenos que prioriza o uso de equações diferenciais, que envolvem unicamente qualidades locais e se expressam por contiguidade. A descoberta de que no universo profundo existem processos novos, provocados pela influência da curvatura do espaço-tempo sobre a matéria, foi o início explicito da terceira revolução na física.

Dessa análise de elaboração da terceira revolução na física, aprendemos que as leis cósmicas exigem uma investigação das propriedades da curvatura do espaço-tempo naquelas regiões onde ela é extremamente intensa. Como no cenário convencional da cosmologia, a curvatura depende somente do tempo cósmico global, segue então a inesperada consequência: a historicidade do universo, isto é, a dependência com o tempo cósmico global das leis físicas terrestres.

O reconhecimento de que as leis cósmicas são históricas e a necessidade de esclarecer a interpretação e o significado da variação da lei física, torna necessário reformular a atividade cientifica na construção de uma representação do cosmos.

Assim, limitando a dependência atual da orientação da ciência de seus aspectos práticos, focando em uma descrição completa da evolução da matéria e energia em todo espaço-tempo, estamos reconstruindo o encantamento do universo.

O próximo passo seria investigar a profundidade da alteração na concepção da ciência que decorre dessas modificações das leis físicas, bem como o status que devemos atribuir às leis cósmicas.

No entanto, deixaremos para analisar as consequências dessa nova revolução sobre as mudanças na nossa representação do universo para ser feita em outro lugar, pois ela nos levaria a caminhos que nos afastariam – e muito- de nossa limitada tarefa aqui, que consiste precisamente em apresentar, de modo simples e compacto, a terceira revolução na física que herdamos ainda do século passado.

SUBSÍDIOS TÉCNICOS

Os leitores interessados em aprofundar os argumentos aqui apresentados podem acessar as seguintes referências:

•  M. NOVELLO: MANIFESTO CÓSMICO in WWW.COSMOSECONTEXTO.ORG.BR

• DEPENDÊNCIA CÓSMICA DAS LEIS FISICAS

A. M. Dirac  in Nature 139, 323 (1937)

Sambursky:Static universe and nebular red shift in Physical Review vol 52 (1937) 335

 Vitaly N. Melnikov,  Variation of constants as a test of gravity, cosmology and unified models arXiv 0910.3484v1 gr-qc (2009)

Vitaly Melnikov .. Gravity as a key problem of the Millenium, arXiv:gr-qc/0007067 (2000)

Novello and P. Rotelli in J. of Physics A, vol 5, pg.1488 (1972)The cosmological dependence of weak interaction

Novello, A. Santoro and H. Heinztmann,  Is parity violation a cosmological evolution effect?in Physics Letters vol 89A, no 5, 266 (1982).

Linde,   Gauge Theory and the variability of the gravitational constant In the early universe, Pisma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 30 (1979) 479; Phys. Lett. 93B (1980) 394.

Cartan,Le parallélisme absolu et la théorie unitaire du champ, Paris, Hermann, 1932, pag 18.

H. Dicke:Mach´s principle and a relativistic theory of gravity in Relativity, groups and topology (Les Houches, 1964) Gordon and Breach Publishers.

• EFEITOS GRAVITACIONAIS REPULSIVOS DA MATÉRIA COMUM

Embora a gravidade seja uma força estritamente atrativa, os efeitos gravitacionais repulsivos são um tema central no Modelo Cosmológico Padrão (SCM), onde são evocados para superar as dificuldades enfrentadas pela Cosmologia de Friedmann. Duas fases distintas de expansão cósmica acelerada são esperados de acordo com o SCM: a era inflacionária primordial e a recente expansão acelerada do universo.  Nos artigos abaixo se mostra que a matéria comum pode, sob certas circunstâncias, gerar efeitos gravitacionais repulsivos.

A. Starobinsky,  Can the effective gravitational constant become negative? Sov. Astron. Lett., 7 (1981) 36.

Novello and S. E. Perez Bergliaffa, Bouncing Cosmologies, Phys. Rept. 463 (2008) 127

Novello, Cosmic repulsion, CBPF Notas de Física 28 (1980), CBPF-NF-28/80; Phys. Lett. 90A (1982) 347.

Guth, , Phys. Rev. D 23 (1981) 347.

Linde, A New Inflationary Universe Scenario: A Possible Solution of the Horizon, Flatness, Homogeneity, Isotropy and Primordial Monopole Problems, Phys. Lett. B, 108, 389 (1982).

Novello and J. M. Salim, Non-linear photons in the universe, Phys. Rev. D 20 (1979) 377.

Erhard Scholz, The unexpected ressurgence of Weyl geometry in late 20-th century physics , arXiv 1703.03187 v1 (2017)

• DO PRINCÍPIO DE MACH AO MECANISMO CÓSMICO DE GERAÇÃO DA MASSA

Novello:O mistério intrigante da origem da massa, Scientific American Brasil, julho de 2011

 M.Novello: The gravitational mechanism to generate mass, in Classical and Quantum Gravity, 28 (2011) 035003.