Força fundamental da natureza pode estar fora de controle – físicos procuram por evidências

Isto pode abalar os próprios fundamentos da ciência moderna.

Força fundamental da natureza pode estar fora de controle
A gravidade surge da distorção do próprio espaço-tempo.(Imagem: © Shutterstock)

Apenas quatro números sustentam as leis da física. É por isso que os cientistas há décadas buscam discrepâncias nessas chamadas constantes fundamentais. Encontrar tal variação abalaria os próprios fundamentos da ciência moderna.

Sem mencionar que garantiria a pelo menos um pesquisador sortudo uma viagem grátis a Estocolmo, uma nova medalha de ouro brilhante e um milhão de dólares.

Recentemente, um par de astrônomos se voltou para uma das estrelas mais antigas do universo para testar a constância das quatro forças fundamentais da natureza de uma das superestrelas – a gravidade. Eles olharam para trás no tempo nos últimos bilhões de anos, em busca de inconsistências.

Não querendo revelar a história completa ainda, mas nenhum Prêmio Nobel será concedido ainda.

O Homem-G

Tomamos como certa a constante gravitacional de Newton (denotada simplesmente por ‘G’), provavelmente porque a gravidade é bastante previsível. Chamamos isso de constante gravitacional de Newton porque Newton foi a primeira pessoa a realmente precisar dela para ajudar a descrever suas famosas leis do movimento. Usando seu cálculo recém-inventado, ele conseguiu estender suas leis do movimento para explicar o comportamento de tudo, desde maçãs caindo de uma árvore até as órbitas dos planetas ao redor do Sol. Mas nada em sua matemática lhe dizia o quão forte deveria ser a gravidade – que tinha que ser experimentalmente medida e inserida para fazer as leis funcionarem.

E tem sido basicamente assim há séculos – medindo G por conta própria e inserindo-o nas equações quando necessário. Atualmente, temos uma compreensão mais sofisticada da gravidade, graças à teoria da relatividade geral de Einstein, que descreve como a gravidade surge da distorção do próprio espaço-tempo. E uma das pedras angulares da relatividade é que as leis físicas devem permanecer as mesmas em todos os referenciais.

Isso significa que se um observador em um referencial específico – digamos, alguém em pé na superfície da Terra ou flutuando no meio do espaço – mede uma força de gravidade específica (G de Newton), esse mesmo valor deve ser aplicado igualmente por todo o espaço e tempo. É simplesmente incorporado às suposições fundamentais de matemática e de trabalho da teoria de Einstein.

Por outro lado, sabemos que a relatividade geral é uma teoria incompleta da gravidade. Ela não se aplica ao reino quântico – por exemplo, às partículas minúsculas que compõem um elétron ou um próton – e a busca continua para encontrar uma verdadeira teoria quântica da gravidade. Um desses candidatos a essa teoria é chamado de teoria das cordas e, na teoria das cordas, não existem números que apenas precisam ser lançados.

Na teoria das cordas, tudo o que sabemos sobre a natureza, desde o número de partículas e forças a todas as suas propriedades, incluindo a constante gravitacional, deve surgir de maneira natural e elegante da própria matemática. Se isso for verdade, a constante gravitacional de Newton não é apenas um número aleatório – é um resultado de algum processo complicado operando no nível subatômico, e não precisa ser constante. E assim, na teoria das cordas, à medida que o universo cresce e muda, as constantes fundamentais da natureza podem mudar com ele.

Tudo isso levanta a questão: a constante de Newton é realmente constante? Einstein dá um firme e claro sim, e os teóricos das cordas dão um firme e claro talvez.

É hora de fazer alguns testes.

Einstein em julgamento

Nos últimos anos, os cientistas desenvolveram experimentos muito sensíveis da força da gravidade na Terra e nas proximidades. Essas experiências fornecem algumas das restrições mais rígidas sobre as variações em G, mas apenas nos últimos anos. Pode ser que a constante de Newton varie incrivelmente devagar, e nós apenas não olhamos com atenção tempo suficiente.

No outro extremo do espectro, se você brinca com as constantes fundamentais da natureza, começará a bagunçar a física do universo primitivo, que é visível para nós na forma do chamado fundo cósmico de microondas. Este é o padrão de luz pós-brilho de quando o universo tinha apenas algumas centenas de milhares de anos. Observações detalhadas dessa luz de fundo também impõem restrições à constante gravitacional, mas essas restrições são muito menos precisas do que as encontradas nos testes que podemos fazer em nosso próprio quintal.

Recentemente, os astrônomos inventaram um teste de variações em G que atinge um bom meio termo entre esses dois extremos, que eles descrevem on-line no jornal de pré-impressão arXiv. É um teste de precisão relativamente alta; não tão preciso quanto os baseados na Terra, mas muito melhor que os cósmicos, e também tem o benefício de abranger literalmente bilhões de anos.

Acontece que podemos procurar mudanças na constante gravitacional de Newton observando a oscilação de uma das estrelas mais antigas do universo.

Está no agitar

O telescópio espacial Kepler é famoso por caçar exoplanetas, mas, em geral, ele é realmente muito bom em olhar as estrelas por longos períodos de tempo, procurando até a menor variação. E algumas dessas variações vêm apenas do fato das estrelas variarem de brilho. De fato, as estrelas pulsam e agitam devido às ondas sonoras quebrando dentro delas, assim como os terremotos – ambas são feitas de materiais (um plasma super quente e denso no caso do Sol) que podem vibrar.

Esses tremores e agitações na superfície da estrela afetam seu brilho e nos falam sobre a estrutura interior. O interior de uma estrela depende de sua massa e idade. À medida que as estrelas evoluem, o tamanho do núcleo e a dinâmica de todas as suas camadas internas mudam; essas mudanças afetam o que está acontecendo na superfície.

E se você começar a mexer nas constantes da natureza, como o G de Newton, isso muda a forma como as estrelas evoluem ao longo de suas vidas. Se a constante de Newton realmente for constante, as estrelas devem aumentar lentamente em brilho e temperatura ao longo do tempo, porque, à medida que queimam hidrogênio em seus núcleos, deixam para trás um pedaço inerte de hélio. Esse hélio atrapalha o processo de fusão, reduzindo sua eficiência, forçando as estrelas a queimarem em um ritmo mais rápido para manter o equilíbrio, ficando mais quentes e brilhantes no processo.

Se a constante de Newton estiver diminuindo lentamente com o tempo, esse processo de aumento de brilho e aquecimento operará em escalas de tempo muito mais rápidas. Mas se a constante de Newton se comportar de maneira oposta e aumentar constantemente com o tempo, as estrelas, na verdade, diminuirão suas temperaturas por um tempo, e então manterão essa temperatura fixa enquanto aumentam de brilho à medida que envelhecem.

Mas essas mudanças são realmente aparentes apenas por períodos muito longos, por isso não podemos realmente olhar para o nosso próprio Sol – que tem cerca de 4,5 bilhões de anos – como um bom exemplo. Além disso, grandes estrelas não têm vida longa e também têm interiores incrivelmente complicados, difíceis de modelar.

Em cena entra a KIC 7970740 para o resgate, uma estrela com apenas três quartos da massa de nosso Sol que queima há pelo menos 11 bilhões de anos. Um laboratório perfeito.

Depois de olharem para essa estrela, os astrônomos pegaram anos de dados do Kepler e os compararam com vários modelos da evolução da estrela, incluindo aqueles com variações no G de Newton. Em seguida, eles amarraram esses modelos às observações da sismologia – as manobras – na superfície. Com base em suas observações, a constante de Newton é realmente constante, pelo menos na medida do possível, sem alterações detectadas no nível de 2 partes em um trilhão (como saber a distância entre Los Angeles e Nova Iorque para a largura de um única bactéria) nos últimos 11 bilhões de anos.

De onde vem a constante de Newton e como ela permanece tão constante? Não temos resposta para essa pergunta e, até onde sabemos, Newton não vai a lugar nenhum tão cedo.

(Fonte)

Colaboração: seukikonetword


Achamos que já sabemos muito sobre o Universo que nos rodeia, mas na verdade ainda estamos engatinhando.

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