Lições de Cosmologia para não-especialistas – O que significa existir?

A instabilidade do vazio permite afirmar

que o universo estava condenado a existir

 

Vamos fazer um desvio nessas considerações e comentar como a  física  e, em particular, a cosmologia, respondem a uma questão que em geral é considerada típica do território da filosofia.

Quando recebi o convite de minha antiga aluna Maria Borba para participar do simpósio Cosmologias no SESC de São Paulo, achei conveniente revisitar algumas de minhas leituras relacionadas a esse tema. Em particular reli alguns trechos de um debate famoso envolvendo renomados físicos sobre tema geral de problemas filosóficos da física moderna. Essa reunião ocorreu em uma sessão paralela a uma conferência mundial de energia atômica no final de 1969 em Genève.  Poucas semanas antes, eu havia chegado a Genève para meu programa de doutorado.

Embora a discussão envolvesse físicos renomados, como Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born e Pierre Auger, com uma visão bastante ampla da atividade científica, curiosamente não apareceu em suas intervenções nenhuma referência à cosmologia.

Isso mostra bem claramente quão absoluta naquela conferência a questão do mundo quântico dominava a discussão sobre a realidade física. Não parecia necessário na análise da distinção entre o real e o virtual nenhuma forma de imersão além das experiências de laboratório, nenhuma referência à nossa situação no universo, nem sua evolução.

Cinquenta anos depois, a situação se alterou radicalmente.

Introdução

Eu não irei apresentar aqui uma versão convencional do conhecimento cientifico sobre o que chamamos existir. Essa é uma indagação vasta e que pode conduzir a caminhos vários, associados a diversas propostas científicas.

Ao contrário, eu preferiria que examinássemos juntos alguns desenvolvimentos recentes na Cosmologia que estão associados a essa questão e fazer então um levantamento, propor um inquérito, sobre temas que nos pareçam extremamente próximos.

Isso não significa que me abstenho de procurar responder à questão que me foi colocada, mas quero afirmar de imediato que estou consciente de que o discurso cientifico constitui somente uma particular versão daquilo que chamamos a realidade.

Ao final desse nosso diálogo, podemos estabelecer uma síntese dessas análises e fazer então um balanço para saber se conseguimos avançar rumo a uma resposta convincente.

Em 1987, em meu livro Cosmos e Contexto, examinei essa questão do ponto de vista de um físico, ou melhor, de um cosmólogo. Eu então argumentava que para começarmos a construir um texto significante sobre o que um cientista tem a dizer sobre essa palavra — existir, deveríamos indagar em duas frentes de análise. Uma típica da física clássica (referente ao modo como sou informado de acontecimentos no mundo) e outra, do mundo quântico (como distinguir fenômenos que não estão associados a meus sentidos, a não ser muito longinquamente), a saber:

1. O território;
2. O virtual e o real.

A primeira está relacionada à totalidade construída pela cosmologia e que se identifica com o espaço-tempo, permitindo examinar cuidadosamente as limitações impostas a um observador e como pode ele ser informado sobre um acontecimento, sobre qualquer fenômeno. Como disse em outro lugar, a necessidade de fazer depender a noção de existência à informação é inerente ao programa geral da ciência. A análise das propriedades do espaço-tempo tem produzido situações novas, inesperadas, nas quais o conceito de existir adquire conotação não convencional. Podemos citar a questão dos buracos brancos, a violação das leis físicas em situações extremas no universo e algumas consequências da união entre a física da gravitação e o mundo quântico.

A segunda, tem a ver com a estrutura do mundo quântico e suas implicações até mesmo na influência da origem do universo, permitindo responder à questão: é o vazio um estado absoluto estável?

Vamos caminhar um pouco por essas duas estradas que parecem conduzir a lugares completamente distintos. Iremos ver que ambos caminhos conduzem ao mesmo lugar e permitem uma resposta, ainda que incompleta, à pergunta-título desse texto.

O território ou o que a física tem a dizer sobre o mundo? 

Para os físicos o universo consiste em matéria, energia e um território onde os fenômenos acontecem e que chamamos espaço e tempo.

Até o final do século 19 o espaço era associado a uma configuração absoluta, congelada, estática, possuindo três dimensões. O tempo era uma característica absoluta, o mesmo para todos em todo lugar.

No século 20, vários cientistas (Poincaré, Minkowski, Fitzgerald, Einstein e outros) mostraram que os relógios funcionam diferentemente caso estejam em repouso ou em movimento.

O homem perdeu então a possibilidade de ter informação completa sobre o universo. Isso se deveu à descoberta da existência de um limite máximo de velocidade para toda forma de informação, carregando qualquer tipo de energia. Ou seja, contrariamente ao que a física newtoniana afirmava, não é possível observar um fenômeno instantaneamente à sua ocorrência: ele requer um tempo de propagação para chegar até um observador.

Essa foi uma das primeiras estranhezas que o século 20 trouxe, mostrando que nossas impressões do mundo não são absolutas.

Muitas outras características sofreram profundas modificações de interpretação.

Isso aconteceu principalmente em dois lugares: no microcosmos (no interior da matéria, no interior dos átomos) e lá no universo profundo.

Vamos dar alguns exemplos para despertar nossa curiosidade. Mas antes, é preciso lembrar que esses fenômenos que iremos citar aqui são considerados estranhos porque não observamos essas propriedades à nossa volta, em nosso cotidiano.

• O tic-tac de um relógio em repouso não possui a mesma frequência que o tic-tac de um relógio em movimento;
• Para ir de um ponto do espaço para outro, devo passar continuamente por todos os pontos intermediários. Isso pode não acontecer no microcosmo;
• Ao caminhar para o futuro (ou seja, o que normalmente consideramos um movimento no tempo) nos afastamos de nosso passado. Isso pode não ser verdade absoluta. Ou seja, poderíamos localmente andar para o futuro e no entanto nos aproximarmos de nosso passado.

Esses exemplos parecem fantasiosos porque não fazem parte de nossa experiência corporal. Com efeito, para podermos observar essa alteração no relógio deveríamos atingir uma velocidade fantasticamente grande, próxima da velocidade da luz que é de 300 000 (trezentos mil) km/s.

Para podermos observar como se passa de um ponto do espaço para outro sem passar pelos pontos intermediários deveríamos estar na dimensão dos átomos e seus constituintes, ou seja, da ordem de 0,000 000 000 001 cm.

Para poder experimentar essa estranha propriedade do tempo que não parece seguir a relação causal convencional é preciso um campo gravitacional com características impossíveis de acontecer na Terra ou em nossa vizinhança.

Ou seja, essas estranhezas mostram que os cientistas têm feito descobertas que vão muito além de nossas experiências no cotidiano.

É porque elas acontecem em situações bem distintas das que estamos acostumados é que elas parecem estranhas.

A imagem que construímos sobre o mundo, a própria linguagem com que a descrevemos está de tal modo dependente de nossos corpos, de nossa experiência sensível, que é difícil conciliar essas novidades que a ciência está desvendando com as certezas a partir da quais aquela imagem do mundo se organizou.

Criamos uma representação do que chamamos realidade a partir de nossos sentidos e a aceitamos desde sempre como única. A física servia como suporte racional dessa descrição. Ao longo do século 20 esse apoio incondicional sofreu profunda alteração. Foi então que se tornou uma delicada tarefa para um físico responder à questão “o que significa existir?”.

Uma proposta para análise

Vimos que ao observar o mundo, aparecem limitações impostas pela teoria da relatividade especial. Por outro lado, a virtualidade no mundo das partículas elementares mostra que devemos aceitar a existência de níveis distintos de realidade. Ou, poderíamos dizer, de permanência no real. Por exemplo, quando um fóton se transfigura em eletron e anti-eletron, esse par é virtual, significando que eles não precisam obedecer às leis da física às quais toda matéria/energia deve se subordinar. Essa liberdade que um processo virtual adquire (por ser virtual) marca uma fronteira entre existência real e existência virtual.

No entanto essa virtualidade pode exercer uma ação sobre corpos reais. Um exemplo notável é a presença de efeitos não lineares na interação eletromagnética devido ao aparecimento de processos virtuais.

Somos levados então a pensar em camadas do real e do virtual como territórios semelhantes, mas não iguais, distinguidos pela observação.

Há outros processos que devemos também trazer à nossa análise, como certas configurações permitidas pela física embora (ainda) não observados. Isso faz vir à tona um exemplo curioso relativo a um certo mal-estar provocado pela sugestão do físico Wolfgang Pauli da existência de uma partícula diáfana como o neutrino. Na época que propôs a existência dessa partícula – para preservar leis fundamentais da física como a conservação da energia e da quantidade de movimento – Pauli argumentou que havia feito algo extremamente transgressor, pois havia descrito certos processos físicos como consequência direta de uma estrutura que jamais seria observada. Isso era devido ao fato de que esse neutrino dificilmente seria observado diretamente, pois a hipótese de Pauli requeria ausência de propriedades típicas de um corpo real, não deveria possuir massa, nem carga elétrica. Seria pura energia propagando-se com velocidade igual à da luz, a máxima permitida pela teoria. No entanto, uma década depois esse neutrino foi efetivamente observado.

Alguns comentários que podem auxiliar para entender o caminho que o cosmólogo escolhe para interpretar a questão que estamos considerando.

O nada

Por que existe alguma coisa e não nada?  Alguns filósofos, como alguns matemáticos, consideram essa uma falsa questão.  A acreditar em Russel, se não existe nada, existe então o conjunto vazio. A partir dele, constrói-se um número infinito de subconjuntos, estruturas, coisas matemáticas. Coisas. E o vazio se enche.

O vazio cheio

O vazio completo de matéria e dessa substância sempre presente, o espaço-tempo isento de qualquer deformação, estaria na origem de tudo-que-existe. O universo se construiu em um tempo de existência enormemente grande – que, sem temor algum, chamaríamos de infinito – onde a matéria é uma consequência natural de transformação, de transfiguração, daquele vazio. Abre-se então uma eficiente resposta à questão anterior, isto é, existe alguma coisa e não nada porque o vazio é instável, não pode permanecer vazio.

Matéria ou antimatéria?

Para os astrônomos, a questão cosmológica é outra: por que existe a matéria que observamos e que constitui nossos corpos? Dirac mostrou que o universo pode conter matéria e antimatéria. Por que então elas não se aniquilaram, gerando um mundo distinto do atual, repleto de radiação, luz, fótons, impedindo assim a presença humana? Segundo o físico russo Andrey Sakharov isso aconteceu devido à dependência das leis físicas com a expansão do universo. No momento de máxima condensação a interação gravitacional inibiu processos que tornavam simétricos matéria e antimatéria, permitindo assim o excesso de uma parte sobre a outra. A esse excesso chamamos matéria.

A questão causal.

Precisamos atravessar esses caminhos que levam ao passado e que Gödel, desafiando as formas convencionais do espaço-tempo, em homenagem a Einstein, pacientemente construiu. Devemos entender esse mistério temporal, que a gravitação universal permite, e no qual ao caminhar em cada momento para meu futuro estou me aproximando de meu passado.

Local ou global?

Passar das fórmulas infinitesimais associadas às equações diferenciais, típicas da física newtoniana, às expressões globais até então submersas no imaginário e que a Cosmologia através de formas topológicas, teve o cuidado e a inesperada tarefa de trazer à superfície, conduz a um modo de pensar que vai além do simples cálculo matemático. Ela requer um passo além de uma dicotomia nostálgica que nada mais faz do que exprimir um evitável duelo local-global.

A questão teleológica.

As propriedades específicas da matéria e a evolução do cosmos se associam com um objetivo final? A massa das partículas elementares, por que têm precisamente este valor que medimos? As constantes das interações, a carga do eletron, a massa do neutrino, por que possuem este valor preciso e não outro? Estariam esses valores relacionados à estabilidade deste universo, permitindo sua existência por um tempo suficientemente longo para o aparecimento da vida? A explicação da aparência do universo estaria assim à nossa espera?

O todo e as partes

Devemos rever a questão que aflige alguns pensadores, como Nietszche descreveu, em sua programação inacabada sobre a teleologia de Kant, ao afirmar que “…o todo não condiciona necessariamente as partes, enquanto as partes condicionam necessariamente o todo.”

Ou, ao contrário, deveríamos ouvir atentamente o matemático-filósofo Lautman que nos conduz a aceitar uma simbiose benéfica a ambos, às partes e ao todo.  A Cosmologia traz à cena a afirmação de que podemos identificar o universo com essa estrutura riemanniana quadridimensional espaço-tempo que constitui um substrato material para a descrição iterativa de todos os processos que chamamos a realidade.

Se essa totalidade resiste ou não aos ataques dos filósofos não é nossa questão, não é relevante, pois aqui se trata preferencialmente de incentivar o diálogo. Se as posições de uns e outros são opostas, devemos entende-las como uma questão formal, passageira. O diálogo deve permanecer. Através de Lautman, é a matemática que se intromete para gerar um modo comum a físicos e filósofos, de tratarem a questão das partes e do todo e permitir este diálogo.

Reconhecemos então que o que está em questão não é a negação da certeza do outro, mas o jogo de pensar como entretenimento da vida. 

Hierarquia entre os vazios

Uma das mais estranhas propriedades do vazio é saber que ele pesa. Isto é, como toda forma de energia e matéria, o vazio também cria campo gravitacional. Mais inesperado ainda: alguns vazios são mais vazios do que outros. Como isso é possível?

O vazio de DeSitter

Um universo que se expande no espaço homogêneo uniformemente no tempo. Completamente homogêneo espacial e temporalmente. Sua origem é uma misteriosa constante cosmológica que Einstein imaginou, para logo em seguida rejeitá-la. Esse vazio é identificado com a própria geometria cósmica.

O vazio de Kasner

Certamente este vazio de Kasner ultrapassa as estranhezas de outros vazios. Ele constitui um universo homogêneo espacialmente anisotrópico, possuindo expansão e contração distintas conforme as direções do espaço. Qual sua origem? Qual sua fonte? O vazio completo de matéria e energia. Sem sequer a constante cosmológica, característica de um vazio especial que o mundo quântico tornou corriqueiro.

Uma tal cosmologia é possível devido à característica da dinâmica gravitacional,  descrita na teoria da relatividade geral, estar associada a equações não-lineares. Ora, um processo não linear não requer necessariamente uma fonte externa que lhe dê existência, pois pode ser resultado de um auto estimulo.

Infinitos. 

Chegamos então finalmente a Cantor, esse criador de uma multiplicidade de infinitos, gerando uma sucessão ilimitada de labirintos. Procurar o que fazer com esses transfinitos, como escapar deles e impedir que sejam atirados ao lixo das ideias utópicas e do não-ser.

Os filósofos vão encontrar os físicos. Mas é de matemática que se trata. Cantor não oferece a realidade, mas provoca a criação de caminhos para a entrada de mundos conduzindo a outros mundos, em uma sucessão inesgotável de universos.

Conclusão

Como esse longo desvio nos caminhos da física e da cosmologia pode esclarecer a pergunta-título desse texto? E, afinal, qual resposta podemos extrair dessa análise?

O que podemos concluir desses comentários para esclarecer nossa questão? Talvez devêssemos enumerar algumas consequências que podem servir a essa tarefa.

Começamos nossa análise por instituir um território, o espaço-tempo. O matemático E. Kasner mostrou que a relatividade geral garante que o universo, completamente isento de matéria e energia, se curva sobre si mesmo. Ou seja, a estrutura espaço-tempo inerte, onde iriamos descrever eventos, faz parte da história que estamos tentando descrever. Isso é um fator de desequilíbrio e criador de diversas dificuldades.

Dizer que existe um espaço-tempo dinâmico, sem nenhuma forma de matéria nem energia constitui uma possível configuração do universo que se estrutura na cosmologia moderna e que coloca uma dificuldade adicional e inesperada nessa análise.

Um universo dinâmico, sem matéria, sem energia, puro campo gravitacional autocriado, desqualifica o papel fundamental do observador que havíamos aceitado preliminarmente. Alguns físicos pretenderam contornar essa dificuldade arguindo que o modelo de universo construído por Kasner é somente uma possibilidade matemática. Poderia não ter realidade.

A situação, no entanto, se transformou completamente quando aprendemos—com os cosmólogos russos E. Lifshitz, V. Belisnki e A. Khalatnikov – que na vizinhança de uma singularidade, ou quando a intensidade do campo gravitacional cósmico é extremamente alta, a geometria do mundo se identifica com aquela proposta de Kasner. Ou seja, a aplicação da teoria da relatividade geral no ponto de extrema condensação, onde se organiza a expansão do universo, implica que o processo gravitacional evolui independentemente da sua possível fonte material e energética ou, de modo equivalente, tudo se passa como se a matéria não tivesse relevância na evolução do universo em seus domínios de extrema condensação.

Do que vimos podemos extrair uma primeira avaliação que a física pode oferecer sobre a questão-título dessa seção.

1. A física newtoniana, que trata de processos da dimensão humana, responde de modo simples e direto a essa questão;
2. Entretanto, não devemos esperar que a física moderna seja capaz de estabelecer uma hierarquia existencial absoluta entre o real e o virtual;
3. O estado fundamental, o vazio, é desprovido da qualidade convencional que permite apontar para uma coisa e dizer “ela existe”. A multiplicidade desse vazio permite afirmar que alguns desses vazios admitem uma cosmologia associada, capaz de descrever uma fase importante do universo;
4. O cosmos, a matéria, a energia e o espaço-tempo parecem ter sido derivados desse estado imaterial, o vazio. A própria matéria que existe no mundo, parece ser consequência de um estado – o vazio – que não se deixa caracterizar como matéria ou energia. Ou seja, a dicotomia o ser e o nada se dissolve no território da física moderna.

Somos então levados a aceitar que essa primeira síntese de nossa análise não permite responder de modo completo à questão “o que significa existir”.

No entanto, não devemos subestimar a atitude conservadora dos cientistas. É bem possível que se perguntarmos a um físico, em seus momentos de divagação e lazer, sobre o que ele acredita ser a resposta à questão “o que significa existir”, ele apresentará uma solução pronta, técnica e completa.

Quando mais adiante refletir em solilóquio sobre sua conclusão, ele muito possivelmente concordará que sua resposta nada mais é do que uma afirmativa arbitrária e provisória. E que ela não dispõe da segurança e garantia que possuem as respostas cientificas de descrição dos fenômenos com que ele trata cotidianamente em sua atividade de cientista. Ou seja, essa é uma questão que exige um compromisso formal para que sua compreensão, antes de qualquer resposta, permita esclarecer os diversos níveis de interpretação que ela esconde.

Dito de outro modo: fora do cotidiano, longe das coisas e fenômenos descritos na física newtoniana – e que organiza nossa realidade imediata – a ciência moderna, ao avançar em sua descrição da natureza no microcosmo (no domínio do mundo quântico)  e no universo profundo (nos momentos de extrema condensação do cosmos)  bloqueia, inibe, impede a caracterização do significado único que quereríamos atribuir à palavra “existir”.