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Em 1925 Einstein caminhou ao lado de uma estudante chamada Esther Salaman. Enquanto eles andavam, ele compartilhou com ela sua aspiração de vida: compreender como tudo no mundo funciona. “Quero saber como Deus criou este mundo. Não estou interessado nesse ou naquele fenômeno, no espectro desse ou daquele elemento. Eu quero sabe os pensamentos Dele; o resto são só detalhes”, disse ele.
Querer entender “os pensamentos de Deus” é uma metáfora para o objetivo final da física moderna: desenvolver uma compreensão perfeita das leis da natureza. Os físicos chamam isso de “Teoria de Tudo”.
Idealmente, a Teoria de Tudo poderia responder a todas as perguntas, sem deixar nada para trás. Ela explicaria todos os fenômenos com uma única teoria. Mas chegar a esta teoria poderia levar milhares de anos.
Duas grandes teorias
Nós já temos duas teorias que juntas dão uma boa descrição do mundo ao nosso redor, mas as duas estão a anos-luz da Teoria de Tudo.
A primeira é a teoria geral da relatividade de Einstein, que descreve a gravidade e o comportamento de estrelas, galáxias e do universo. Einstein descreveu a gravidade como a flexão do tempo e do espaço. Esta ideia tem sido validada repetidamente, especialmente com a descoberta de ondas gravitacionais em 2016.
A segunda teoria se chama Modelo Padrão, que descreve o mundo subatômico. É neste campo que os cientistas têm feito o maior progresso em direção a uma Teoria de Tudo.
Das estrelas às pizzas
Se olharmos para o mundo ao nosso redor, das estrelas às pizzas, podemos questionar por que as coisas têm as propriedades que têm. Sabemos que tudo é feito de átomos, e esses átomos são feitos de prótons, nêutrons e elétrons.
Em 1960, pesquisadores descobriram que os prótons e nêutrons eram feitos de partículas ainda menores chamadas quarks e que o elétron era um membro de uma classe partículas chamada léptons.
Mas encontrar as menores partículas é apenas o primeiro passo para conquistar a Teoria de Tudo. O próximo passo é entender as forças que governam como essas pecinhas interagem. Cientistas conhecem as quatro forças que fundamentais: gravitacional, eletrodinâmica, fraca e forte.
Quatro forças fundamentais
A teoria clássica da gravitação é a lei de Newton da Gravitação Universal. Para descrever a formação do Universo precisamos de uma teoria quântica da gravitação, que os físicos ainda não têm.
A eletrodinâmica descreve os fenômenos elétricos e magnéticos. A união da teoria clássica da eletrodinâmica de James Maxwell com a mecânica quântica aconteceu na década de 1940.
As forças fracas são aquelas que explicam os processos de decaimento radioativo e esta teoria foi apresentada em 1933. Ela foi aperfeiçoada na década de 1950 e a utilizamos da forma descrita em 1960, chamada de Teoria de Glashow-Weinberg-Salam. Nesta teoria, as interações fraca e eletromagnética são manifestações diferentes da mesma força, a eletrofraca.
As forças fortes são responsáveis pelos fenômenos que acontecem muito próximos do interior do núcleo atômico. Elas seguram o núcleo dos átomos e mantêm os quarks dentro dos prótons e dos nêutrons.
Peças e forças
Cada força subatômica está associada com partículas que carregam esta força: o glúon carrega a força forte, os fótons governam o eletromagnetismo, os bósons W e Z controlam a força fraca. Há também o campo de energia Higgs, que permeia o universo e dá massa aos quarks, léptons e outras partículas que carregam força. Essas são as peças que formam o Modelo Padrão.
Com os quarks, léptons e as partículas conhecidas que carregam força, é possível construir átomos, moléculas, pessoas, planetas e tudo no universo. Mas saber tudo isso não é suficiente. Precisamos de uma única peça e de uma única força para explicar o universo.
O modelo padrão tem 12 partículas e quatro forças. Além disso, ainda precisamos desvendar a teoria quântica da gravitação mencionada anteriormente. Isso quer dizer que os físicos ainda têm muito trabalho pela frente para chegar à Teoria de Tudo.
Energia Planck
Encontrar uma peça ainda menor vai ser difícil. Para isso, precisamos de um acelerador de partículas ainda mais poderoso do que os que temos atualmente. Precisamos de algumas décadas para desenvolvê-lo. Mesmo depois de conseguir isso, ainda estaremos muito longe de chegar à Teoria de Tudo.
Por isso, talvez seja mais eficiente especular sobre esta peça única. Uma ideia popular é a Teoria das Supercordas, que diz que a menor peça não é uma partícula, e sim uma corda vibrante. Mas ainda não temos evidência de que essas cordas existem. Para conseguir comprová-la, precisamos de uma energia gigantesca chamada Energia Planck, que é um quatrilhão de vezes mais alta do que geramos atualmente.
Já o problema das quatro forças é que ainda não conseguimos uni-las em uma. O que já foi feito foi unir as interações fraca e eletromagnética na força eletrofraca. Portanto, continuamos com três forças ao invés de uma.
Mas os físicos acreditam que só vão conseguir esta unificação com a energia Planck. Resumindo, precisamos dessa energia para resolver o problema das peças e das forças.
Ainda estamos muito longe
Mas a que distância, exatamente, estamos de conquistar este objetivo? “Se pudéssemos representar as energias de partículas que nós já conseguimos detectar, teríamos a grossura de uma membrana celular. A energia Planck, por outro lado, seria do tamanho do planeta Terra”, explica o físico Don Lincoln, pesquisador do Fermilab, laboratório especializado em física de partículas de alta energia do Departamento de Energia dos Estados Unidos.
Don participa de vídeos educativos da Fermilab no Youtube e explica seu trabalho de forma divertida e simples:
