Beleza é verdade, verdade é beleza e outras mentiras da física

Um sinal simulado de produção de buraco negro e decadência no LHC. Foto cedida por CERN / ATLAS

Editado por: Sally Davies
Tradução: Iran Filho

Quem não gosta de uma ideia bonita? Os físicos certamente gostam. Nas bases da física, tornou-se prática comum preferir hipóteses que sejam esteticamente agradáveis. Os físicos acreditam que suas motivações não importam, pois as hipóteses, afinal, devem ser testadas. Mas a maioria das suas ideias bonitas é difícil ou impossível de testar. E sempre que um experimento volta de mãos vazias, os físicos podem modificar suas teorias para acomodar os resultados nulos.

Isso vem acontecendo há cerca de 40 anos. Nesses 40 anos, os argumentos estéticos prosperaram em programas de pesquisa, como a supersimetria, o multiverso e a unificação grande, que agora ocupam milhares de cientistas. Nesses 40 anos, a sociedade gastou bilhões de dólares em experimentos que não encontraram evidências para apoiar as ideias bonitas. E nesses 40 anos, não houve um grande avanço nas bases da física.

Meus colegas argumentam que os critérios de beleza são baseados na experiência. As teorias mais fundamentais que temos atualmente - o modelo padrão da física de partículas e a relatividade geral de Albert Einstein - são bonitas de formas específicas. Concordo que valeu a pena tentar assumir que teorias mais fundamentais são bonitas de formas semelhantes. Mas, bem, tentamos e não deu certo. No entanto, os físicos continuam a selecionar teorias com base nas mesmas três critérios de beleza: simplicidade, naturalidade e elegância.

Com simplicidade, eu não quero dizer a navalha de Occam, que exige que, entre duas teorias que alcançam a mesma coisa, você escolha a mais simples. Não, eu quero dizer simplicidade absoluta: uma teoria deve ser simples, ponto. Quando as teorias não são simples o suficiente para os gostos dos meus colegas, eles tentam torná-las mais simples - unificando várias forças ou postulando novas simetrias que combinam partículas em conjuntos ordenados.

O segundo critério é naturalidade. A naturalidade é uma tentativa de se livrar do elemento humano, exigindo que uma teoria não use pressupostos que pareçam escolhidos à mão. Esse critério é aplicado com mais frequência aos valores de constantes sem unidades, como as razões das massas de partículas elementares. A naturalidade exige que esses números devam estar perto de um ou, se isso não for o caso, a teoria explique por quê não é assim.

Então há elegância, o terceiro e mais elusivo aspecto da beleza. É frequentemente descrito como uma combinação de simplicidade e surpresa que, juntos, revelam novas conexões. Encontramos elegância no "efeito A-há", o momento de insight quando as coisas se encaixam.

Atualmente, os físicos consideram uma teoria promissora se ela é bonita de acordo com esses três critérios. Isso os levou a prever, por exemplo, que os prótons deveriam ser capazes de decair. Experimentos têm procurado isso desde os anos 80, mas até agora ninguém viu um decaimento de próton. Os teóricos também previram que deveríamos ser capazes de detectar partículas de matéria escura, como axions ou partículas massivas fracamente interagentes (WIMPs). Nós contratamos dezenas de experimentos, mas não encontramos nenhuma das partículas hipotéticas - pelo menos até agora. Os mesmos critérios de simetria e naturalidade levaram muitos físicos a acreditar que o Large Hadron Collider (LHC) deveria ver algo novo além do bosão de Higgs, por exemplo, as chamadas "partículas supersimétricas" ou dimensões adicionais do espaço. Mas nenhum foi encontrado até agora.

Até onde você pode empurrar esse programa antes que ele se torne absurdo? Bem, se você tornar uma teoria cada vez mais simples, ela eventualmente se tornará imprevisível, porque a teoria já não contém informações suficientes para mesmo realizar cálculos. O que você obtém então é o que os teóricos agora chamam de "multiverso" - uma coleção infinita de universos com leis diferentes da natureza.

Por exemplo, se você usar a lei da gravidade sem fixar o valor da constante de Newton por medição, você poderia dizer que sua teoria contém um universo para qualquer valor da constante. Claro, você então tem que postular que vivemos no único universo que tem o valor da constante de Newton que medimos. Então pode parecer que você não ganhou muito. Exceto que os teóricos agora podem escrever artigos sobre esse grande número de novos universos. Ainda melhor, os outros universos não são observáveis, portanto as teorias do multiverso estão a salvo de testes experimentais.

Eu acho que é hora de aprendermos com a história da ciência. A beleza não tem um bom histórico como guia para o desenvolvimento de teorias. Muitas hipóteses bonitas estavam erradas, como a ideia de Johannes Kepler de que as órbitas planetárias são empilhadas em poliedros regulares conhecidos como "sólidos platônicos", ou que os átomos são nós em um éter invisível, ou que o Universo está em um "estado estacionário" em vez de estar em expansão. A beleza não deve ser o principal critério para seguir e desenvolver teorias científicas, mas sim a capacidade de ser testada experimentalmente e comprovada. Os cientistas devem considerar outras abordagens, como a utilização de dados e evidências concretas, para guiar seu trabalho.

E outras teorias que foram consideradas feias resistiram à prova do tempo. Quando Kepler sugeriu que os planetas se movem em elipses em vez de círculos, isso pareceu muito feio para ser verdade para seus contemporâneos. E o físico James Maxwell se recusou a acreditar em sua própria teoria envolvendo campos elétricos e magnéticos, porque naquela época o padrão de beleza envolvia engrenagens e parafusos. Paul Dirac criticou uma versão posterior da teoria de Maxwell como feia, porque ela exigia ginástica matemática complicada para remover infinidades. No entanto, essas ideias supostamente feias eram corretas. Elas ainda são usadas hoje. E não as achamos mais feias.

A história tem uma segunda lição. Embora a beleza tenha sido, sem dúvida, um forte motivador pessoal para muitos físicos, os problemas que levaram às descobertas não foram simplesmente insatisfações estéticas - foram contradições matemáticas. Einstein, por exemplo, aboliu o tempo absoluto porque ele estava em contradição com a eletromagnetismo de Maxwell, criando assim a relatividade especial. Ele então resolveu o conflito entre a relatividade especial e a gravidade newtoniana, o que lhe deu a relatividade geral. Dirac mais tarde removeu o desacordo entre a relatividade especial e a mecânica quântica, o que levou ao desenvolvimento das teorias de campos quânticos que ainda usamos na física de partículas hoje.

O bosão de Higgs, também, nasceu da necessidade de consistência lógica. Encontrado no LHC em 2012, o bosão de Higgs é necessário para que o modelo padrão funcione. Sem o Higgs, os cálculos dos físicos de partículas retornam probabilidades maiores do que 1, bobagem matemática que não pode descrever a realidade. Concedido, a matemática não nos disse que tinha que ser o bosão de Higgs, poderia ter sido algo diferente. Mas sabíamos que algo novo precisava acontecer no LHC antes mesmo dele ser construído. Essa era uma razão baseada em fundamentos matemáticos sólidos.

As partículas supersimétricas, por outro lado, são bonitas mas não são necessárias. Elas foram incluídas para corrigir uma falha estética da teoria atual, uma falta de naturalidade. Não há nada de errado matematicamente com uma teoria que não é supersimétrica, ela simplesmente não é particularmente bonita. Os físicos de partículas usaram a supersimetria para remediar essa falta percebida, tornando a teoria muito mais bonita. As previsões de que as partículas supersimétricas deveriam ser vistas no LHC, portanto, foram baseadas em esperança em vez de lógica sólida. E as partículas não foram encontradas.

Minha conclusão a partir dessa longa série de resultados nulos é que, quando a física tenta corrigir uma falta percebida de beleza, perdemos tempo com problemas que não são realmente problemas. Os físicos devem repensar suas métodos agora, antes de começarmos a discutir se o mundo precisa de um próximo acelerador de partículas maior ou outra busca por matéria escura.

Claro que a resposta não pode ser que tudo é permitido. A ideia de que novas teorias devem resolver problemas existentes é boa em princípio - é apenas que, atualmente, os problemas em si não estão formulados o suficientemente bem para que esse critério seja útil. A base conceitual e filosófica do raciocínio nas bases da física é fraca e isso deve ser melhorado.

Não adianta e não é boa prática científica exigir que a natureza se conforme aos nossos ideais de beleza. Devemos deixar que as evidências nos levem a novas leis da natureza. Tenho certeza de que a beleza nos aguardará lá.