Tradução: “S04E06: The Irish Pub Formulation (A Formulação do Pub Irlandês)”

A primeira força descoberta pelos primeiros físicos foi a gravidade. Há mais de 400 anos, o nosso entendimento de que a gravidade era uma força operante em todo o Universo foi explicado por Sir Isaac Newton. Há quase 100 anos, modernizamos nosso entendimento com a Teoria Geral da Relatividade, de Einstein. E apesar de todo esse dever de casa, a gravidade ainda é a força menos compreendida pela Física.

Os físicos compreendem a gravidade bem o bastante para chegarmos à Lua. Então por que Sheldon ainda estuda a gravidade?

Ao longo dos séculos, outras três classes básicas de forças foram descobertas:

O eletromagnetismo nos é familiar, empurrando as correntes para o interior de nossas casas e conduzindo os elétrons por dentro de nossos aparelhos eletrônicos. Por sorte, ele também mantém os átomos e as moléculas juntos.

A força “forte” mantém os núcleos unidos. O núcleo atômico é composto de nêutrons (sem carga elétrica) e prótons (carga elétrica positiva). Uma vez que as cargas de mesmo sinal se repelem, os núcleos atômicos deveriam explodir, desfazendo-se em todas as direções. Eles tentam, mas uma outra força, a força forte, os mantém unidos. A força forte é mais forte que a força eletromagnética no núcleo. Mas apenas a curtas distâncias. É por isso que não experimentamos a força forte em nossa escala humana. Seu alcance determina o tamanho do maior núcleo que podemos fazer. Nós nunca fizemos um núcleo maior que cerca de 300 prótons e nêutrons. Por estarem agrupados em uma esfera e, pelo fato de os prótons e os nêutrons terem o mesmo tamanho, é possível calcular o raio do núcleo usando geometria simples: Volume = 4/3πr3.

Então o raio do maior núcleo é de cerca de 4 prótons (8, em diâmetro). Este é, aproximadamente, o alcance da força forte, uma largura de cerca de 4 prótons. Isso é equivalente a 0,000000000000004 metros. (Desde então, aprendemos que essa força “forte” é gerada por uma força mais elementar que opera dentro dos próprios prótons e nêutrons, chamada de “cromodinâmica quântica”, mas isso é uma história para algum outro dia.)

A força final em nossa lista é o que chamam de força “fraca”. A força fraca é tão fraca que não é capaz de manter nada unido (nada que eu conheça). Mas ainda assim, ela opera no nível subatômico. Sua força seria comparável à força eletromagnética, mas seu alcance é ainda menor do que o da força nuclear forte. Seu alcance é quase 1.000 vezes menor. Contudo, ela continua sendo importante por ser a única força capaz de transformar prótons em nêutrons e outras transições. Sem ela, o Sol não poderia fundir 4 átomos de hidrogênio (4 prótons) em hélio (2 prótons e 2 nêutrons) e não teria uma fonte de energia.

Essas três últimas forças, ainda que sejam as descobertas mais recentes, são aquelas que mais bem entendemos. Elas têm uma ótima interação com o abrangente arcabouço da mecânica quântica. É comum ouvirmos que a mecânica quântica é o domínio dos processos minúsculos. Mas essa não é bem a história certa. Os efeitos da mecânica quântica já foram observados em operação a distâncias do tamanho da Terra, enquanto um tipo de neutrino transformava-se em outro. E esse ainda não é o limite. Uma vez, fui co-autor de um artigo que tratava do possível efeito quanto-mecânico que ocorre a uma distância de 1 bilhão de anos-luz.

Por esse motivo, dizer que a mecânica quântica é a Física das distâncias minúsculas é simplificá-la ao extremo. Essa simplificação omite um componente essencial. A mecânica quântica, na verdade, revela uma relação especial entre a distância e o momentum, de forma que a importância da mecânica quântica se dá, na realidade, quando o produto das distâncias e dos momenta característicos é pequeno.

Assim como a mecânica quântica revela uma relação especial entre distância e momentum, a teoria da relatividade, que descreve a gravidade, nos fala sobre uma relação especial entre o tempo e o espaço. E isso não é tudo. A mecânica quântica também descreve uma relação especial entre a energia e o tempo. Enquanto isso, a relatividade preocupa-se com a relação entre momentum e energia. Em suma:

A Relatividade e a Mecânica Quântica combinam diferentes grandezas físicas em um profundo nível.

As duas teorias tratam de relações diferentes. E quando tentamos lidar com todas essas relações ao mesmo tempo, a gravidade se mete em uma confusão.

Um dos maiores dramas dos últimos 50 anos da Física tem sido o de reconciliar as relações da mecânica quântica com a teoria da relatividade. E em três das quatro vezes, acabamos tendo sucesso. Existem boas teorias funcionais sobre o comportamento quanto-mecânico das forças fortes, fracas e eletromagnéticas. Elas são testadas todos os dias em laboratório, com alta precisão.

No entanto, a gravidade não cedeu. Grande parte do trabalho teórico na Física visa a formar uma formulação consistente da mecânica quântica e da gravidade. São esses os objetivos da teoria das cordas e da gravidade quântica em loop, sobre a qual Leonard e Leslie discutiram, uma vez. Outras tentativas estão a caminho. Mas até agora, nenhuma delas passou nos testes experimentais, e a maioria nem chega a fazer previsões experimentais distintas.

E isso, finalmente, nos traz à ciência do episódio de hoje. O seminário de Sheldon não trata apenas das “flutuações termodinâmicas”, uma parte elementar das nossas teorias de calor e energia. Na verdade, ele explica como a gravidade pode emergir de um processo que se parece muito com aquelas flutuações. Uma nova teoria com este mesmo argumento foi publicada recentemente por um respeitado teórico dos Países Baixos, Erik Verlinde. As equações relevantes estavam expostas nos quadros brancos do apartamento essa noite.

(Enquanto isso, os quadros do laboratório de Leonard tinham uma tema diferente: a busca por partículas hipotéticas chamadas de áxions. Prometo que não teve nada a ver com a edição que Sheldon fez no quadro acima do anterior.)

É uma grande vergonha para a Física, o fato de a primeira força a ser descoberta, a gravidade, ser a menos compreendida. Mas eu tenho esperanças. Afinal de contas, Sheldon está se dedicando a essa tarefa.


Tradução feita por Hitomi a partir de texto extraído de The Big Blog Theory, de autoria de David Saltzberg, originalmente publicado em 28 de Outubro de 2010.

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