Introdução:

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Em 1900, o físico britânico Lord Kelvin teria pronunciado: "Não há nada novo a ser descoberto na física agora. Tudo o que resta é uma medição cada vez mais precisa." Em três décadas, a mecânica quântica e a teoria da relatividade de Einstein revolucionaram o campo. Hoje, nenhum físico ousaria afirmar que nosso conhecimento físico do universo está quase completo. Ao contrário, cada nova descoberta parece destravar uma caixa de Pandora com questões de física ainda maiores e mais profundas. Estas são nossas escolhas para as questões abertas mais profundas de todas.

Lá dentro, você aprenderá sobre universos paralelos, por que o tempo parece se mover em apenas uma direção e por que não entendemos o caos.

Nota do Editor: Esta lista foi publicada originalmente em 2012. Ela foi atualizada em 27 de fevereiro de 2017, para incluir informações e estudos mais recentes.

O que é energia escura?

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Não importa o quanto os astrofísicos analisem os números, o universo simplesmente não faz sentido. Mesmo que a gravidade esteja puxando para dentro no espaço-tempo o "tecido" do cosmos, ela continua se expandindo para fora cada vez mais rápido. Para explicar isso, os astrofísicos propuseram um agente invisível que neutraliza a gravidade separando o espaço-tempo. Eles chamam de energia escura. No modelo mais amplamente aceito de energia escura, é uma "constante cosmológica": uma propriedade inerente do próprio espaço, que tem "pressão negativa" separando o espaço. À medida que o espaço se expande, mais espaço é criado e, com ele, mais energia escura. Com base na taxa de expansão observada, os cientistas sabem que a soma de toda a energia escura deve representar mais de 70 por cento do conteúdo total do universo. Mas ninguém sabe como procurá-lo. O que os melhores pesquisadores têm sido capazes de fazer nos últimos anos é estreitar um pouco sobre onde a energia escura pode estar se escondendo, que foi o tema de um estudo lançado em agosto de 2015.

O que é matéria escura?

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Evidentemente, cerca de 84% da matéria do universo não absorve ou emite luz. A "matéria escura", como é chamada, não pode ser vista diretamente e ainda não foi detectada por meios indiretos. Em vez disso, a existência e as propriedades da matéria escura são inferidas de seus efeitos gravitacionais na matéria visível, radiação e estrutura do universo. Acredita-se que essa substância sombria permeie a periferia das galáxias e pode ser composta de "partículas massivas de interação fraca", ou WIMPs. Em todo o mundo, existem vários detectores em busca de WIMPs, mas até agora, nenhum foi encontrado. Um estudo recente sugere que a matéria escura pode formar fluxos longos e de granulação fina em todo o universo, e que esses fluxos podem irradiar para fora da Terra como fios de cabelo.

Por que existe uma flecha do tempo?

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O tempo avança porque uma propriedade do universo chamada "entropia", aproximadamente definida como o nível de desordem, apenas aumenta e, portanto, não há como reverter um aumento na entropia depois que ele ocorreu. O fato da entropia aumentar é uma questão de lógica: há mais arranjos desordenados de partículas do que arranjos ordenados e, assim, à medida que as coisas mudam, elas tendem a cair em desordem. Mas a questão subjacente aqui é: por que a entropia era tão baixa no passado? Melhor dizendo, por que o universo estava tão organizado em seu início, quando uma grande quantidade de energia estava amontoada em uma pequena quantidade de espaço?

Existem universos paralelos?

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Dados astrofísicos sugerem que o espaço-tempo pode ser "plano", em vez de curvo e, portanto, continua para sempre. Nesse caso, então a região que podemos ver (que pensamos como "o universo") é apenas uma mancha em um "multiverso acolchoado" infinitamente grande. Ao mesmo tempo, as leis da mecânica quântica ditam que há apenas um número finito de configurações de partículas possíveis dentro de cada patches cósmico (10 ^ 10 ^ 122 possibilidades distintas). Então, com um número infinito de manchas cósmicas, os arranjos de partículas dentro deles são forçados a se repetir, infinitamente muitas vezes. Isso significa que há infinitos universos paralelos: manchas cósmicas exatamente iguais ao nosso (contendo alguém exatamente como você), bem como manchas que diferem pela posição de apenas uma partícula, manchas que diferem pela posição de duas partículas, e assim por diante até patches totalmente diferentes dos nossos.

Há algo de errado com essa lógica ou seu resultado bizarro é verdadeiro? E se for verdade, como podemos detectar a presença de universos paralelos?

Por que há mais matéria do que antimatéria?

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A questão por que há muito mais matéria do que sua gêmea de carga oposta e giro oposta, a antimatéria, é na verdade uma questão de por que alguma coisa existe. Supõe-se que o universo trataria matéria e antimatéria simetricamente e, portanto, que, no momento do Big Bang, quantidades iguais de matéria e antimatéria deveriam ter sido produzidas. Mas se isso tivesse acontecido, teria havido uma aniquilação total de ambos: prótons teriam se cancelado com antiprótons, elétrons com anti-elétrons (pósitrons), nêutrons com antineutrons e assim por diante, deixando para trás um mar opaco de fótons em uma extensão sem matéria. Por alguma razão, havia excesso de matéria que não foi aniquilada, e aqui estamos. Para isso, não há explicação aceita. O teste mais detalhado até o momento das diferenças entre matéria e antimatéria, anunciadas em agosto de 2015, confirmam que são imagens espelhadas uma da outra, fornecendo exatamente zero novos caminhos para a compreensão do mistério de por que a matéria é muito mais comum.

Qual é o destino do universo?

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O destino do universo depende fortemente de um fator de valor desconhecido: Ω, uma medida da densidade da matéria e energia em todo o cosmos. Se Ω for maior que 1, então o espaço-tempo seria "fechado" como a superfície de uma esfera enorme. Se não houvesse energia escura, esse universo acabaria por parar de se expandir e, em vez disso, começaria a se contrair, eventualmente colapsando sobre si mesmo em um evento chamado de "Big Crunch". Se o universo estiver fechado, mas houver energia escura, o universo esférico se expandirá para sempre.

Alternativamente, se Ω for menor que 1, então a geometria do espaço seria "aberta" como a superfície de uma sela. Nesse caso, seu destino final é o "Big Freeze" seguido pelo "Big Rip": primeiro, a aceleração externa do universo separaria galáxias e estrelas, deixando toda a matéria fria e solitária. Em seguida, a aceleração ficaria tão forte que sobrepujaria os efeitos das forças que mantêm os átomos unidos, e tudo seria dividido.

Se Ω = 1, o universo seria plano, estendendo-se como um plano infinito em todas as direções. Se não houvesse energia escura, esse universo plano se expandiria para sempre, mas a uma taxa de desaceleração contínua, quase paralisado. Se houver energia escura, o universo plano, em última análise, experimentaria uma expansão descontrolada que levaria ao Big Rip. Independentemente de como se desenrole, o universo está morrendo, fato discutido em detalhes pelo astrofísico Paul Sutter no ensaio de dezembro de 2015.

O que será, será.

Como as medições reduzem as funções de ondas quânticas?

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No estranho reino dos elétrons, fótons e outras partículas fundamentais, a mecânica quântica é lei. As partículas não se comportam como pequenas bolas, mas sim como ondas que se espalham por uma grande área. Cada partícula é descrita por uma "função de onda" ou distribuição de probabilidade, que indica qual é a sua localização, velocidade e outras propriedades, mas não quais são essas propriedades. A partícula, na verdade, tem uma gama de valores para todas as propriedades, até que você meça experimentalmente uma delas, sua localização, por exemplo, em que ponto a função de onda da partícula "entra em colapso" e ela adota apenas uma localização.

Mas como e por que medir uma partícula faz sua função de onda entrar em colapso, produzindo a realidade concreta que percebemos existir? A questão, conhecida como problema de medição, pode parecer esotérica, mas nossa compreensão do que é a realidade, ou se ela existe, depende da resposta.

A teoria das cordas está correta?

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Quando os físicos presumem que todas as partículas elementares são na verdade loops unidimensionais, ou "cordas", cada uma vibrando em uma frequência diferente, a física fica muito mais fácil. A teoria das cordas permite aos físicos reconciliar as leis que governam as partículas, chamadas de mecânica quântica, com as leis que governam o espaço-tempo, chamadas de relatividade geral, e unificar as quatro forças fundamentais da natureza em uma única estrutura. Mas o problema é que a teoria das cordas só pode funcionar em um universo com 10 ou 11 dimensões: três grandes espaciais, seis ou sete espaciais compactadas e uma dimensão de tempo. As dimensões espaciais compactadas,  assim como as próprias cordas vibratórias, têm cerca de um bilionésimo de um trilionésimo do tamanho de um núcleo atômico. Não há uma maneira concebível de detectar algo tão pequeno e, portanto, não há uma maneira conhecida de validar ou invalidar experimentalmente a teoria das cordas.

Existe ordem no caos?

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Os físicos não podem resolver exatamente o conjunto de equações que descreve o comportamento dos fluidos, da água ao ar e todos os outros líquidos e gases. Na verdade, não se sabe se uma solução geral das chamadas equações de Navier-Stokes ainda existe, ou, se houver uma solução, se ela descreve fluidos em toda parte, ou contém pontos inerentemente desconhecidos chamados singularidades. Como consequência, a natureza do caos não é bem compreendida. Físicos e matemáticos se perguntam: o tempo é apenas difícil de prever ou inerentemente imprevisível? A turbulência transcende a descrição matemática ou tudo faz sentido quando você a aborda com a matemática certa?

As forças do universo se fundem em uma?

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O universo experimenta quatro forças fundamentais: eletromagnetismo, a força nuclear forte, a interação fraca (também conhecida como a força nuclear fraca) e a gravidade. Até o momento, os físicos sabem que se você aumentar a energia o suficiente, por exemplo, dentro de um acelerador de partículas, três dessas forças se "unificam" e se tornam uma única força. Os físicos rodaram aceleradores de partículas e unificaram a força eletromagnética e as interações fracas, e em energias mais altas, o mesmo deve acontecer com a força nuclear forte e, eventualmente, a gravidade.

Mas, embora as teorias digam que isso deve acontecer, a natureza nem sempre obriga. Até agora, nenhum acelerador de partículas atingiu energias altas o suficiente para unificar a força forte com o eletromagnetismo e a interação fraca. Incluir a gravidade significaria ainda mais energia. Não está claro se os cientistas poderiam construir um tão poderoso; o Large Hadron Collider (LHC), perto de Genebra, pode enviar partículas colidindo umas com as outras com energias na casa dos trilhões de elétron-volts (cerca de 14 tera-elétron-volts, ou TeV). Para alcançar grandes energias de unificação, as partículas precisariam de pelo menos um trilhão de vezes mais, então os físicos são deixados à caça de evidências indiretas de tais teorias. 

Além da questão das energias, as Teorias da Grande Unificação (GUTs) ainda têm alguns problemas porque preveem outras observações que até agora não deram certo. Existem vários GUTs que dizem que os prótons, ao longo de imensos intervalos de tempo (da ordem de 10^36 anos), devem se transformar em outras partículas. Isso nunca foi observado, então ou os prótons duram muito mais do que qualquer um já pensou ou eles realmente são estáveis ??para sempre. Outra previsão de alguns tipos de GUT é a existência de monopólos magnéticos, polos "norte" e "sul" isolados de um ímã, e ninguém ainda viu um deles. É possível que simplesmente não tenhamos um acelerador de partículas poderoso o suficiente. Ou os físicos podem estar errados sobre como o universo funciona.

O que acontece dentro de um buraco negro?

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O que acontece com as informações de um objeto se ele for sugado por um buraco negro? De acordo com as teorias atuais, se você jogasse um cubo de ferro em um buraco negro, não haveria como recuperar nenhuma dessas informações. Isso porque a gravidade de um buraco negro é tão forte que sua velocidade de escape é mais rápida que a da luz, e a luz é a coisa mais rápida que existe. No entanto, um ramo da ciência chamado mecânica quântica diz que a informação quântica não pode ser destruída. “Se você aniquilar essa informação de alguma forma, algo vai dar errado”, disse Robert McNees, professor associado de física da Loyola University Chicago. 

A informação quântica é um pouco diferente da informação que armazenamos como 1s e 0s em um computador, ou as coisas em nossos cérebros. Isso porque as teorias quânticas não fornecem informações exatas sobre, por exemplo, onde um objeto estará, como calcular a trajetória de uma bola de beisebol na mecânica. Em vez disso, tais teorias revelam a localização mais provável ou o resultado mais provável de alguma ação. Como consequência, todas as probabilidades de vários eventos devem somar 1 ou 100 por cento. (Por exemplo, quando você rola um dado de seis lados, as chances de uma determinada face aparecer é de um sexto, então as probabilidades de todas as faces somam 1, e você não pode estar mais de 100 por cento certo de que algo acontecerá.) A teoria quântica é, portanto, chamada de unitária. Se você sabe como um sistema termina, pode calcular como ele começou.

Para descrever um buraco negro, tudo que você precisa é massa, momento angular (se estiver girando) e carga. Nada sai de um buraco negro, exceto um gotejamento lento de radiação térmica chamada radiação Hawking. Até onde se sabe, não há como fazer esse cálculo reverso para descobrir o que o buraco negro realmente engoliu. A informação é destruída. No entanto, a teoria quântica afirma que a informação não pode estar completamente fora de alcance. É aí que reside o " paradoxo da informação".

McNees disse que tem havido muito trabalho sobre o assunto, notadamente por Stephen Hawking e Stephen Perry, que sugeriram em 2015 que, em vez de ser armazenada nas garras profundas de um buraco negro, a informação permanece em seus limites, chamado de evento horizonte. Muitos outros tentaram resolver o paradoxo. Até agora, os físicos não conseguem concordar com a explicação e é provável que discordem por algum tempo.

Existem singularidades nuas?

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Uma singularidade ocorre quando alguma propriedade de uma "coisa" é infinita e, assim, as leis da física como as conhecemos se quebram. No centro dos buracos negros está um ponto que é infinitamente pequeno e denso (embalado com uma quantidade finita de matéria) um ponto denominado singularidade. Na matemática, as singularidades surgem o tempo todo, dividir por zero é uma instância, e uma linha vertical em um plano de coordenadas que tem uma inclinação "infinita". Na verdade, a inclinação de uma linha vertical é apenas indefinida. Mas como seria uma singularidade? E como ela interagiria com o resto do universo? O que significa dizer que algo não tem superfície real e é infinitamente pequeno?

Uma singularidade "nua" é aquela que pode interagir com o resto do universo. Os buracos negros têm horizontes de eventos, regiões esféricas das quais nada, nem mesmo a luz, pode escapar. À primeira vista, você pode pensar que o problema das singularidades nuas está parcialmente resolvida para buracos negros, pelo menos, uma vez que nada pode sair do horizonte de eventos e a singularidade não pode afetar o resto do universo. (É "vestido", por assim dizer, enquanto uma singularidade nua é um buraco negro sem um horizonte de eventos.)

Mas se as singularidades podem se formar sem um horizonte de eventos ainda é uma questão em aberto. E se elas podem existir, então a teoria da relatividade geral de Albert Einstein precisará de uma revisão, porque ela quebra quando os sistemas estão muito próximos de uma singularidade. As singularidades nuas também podem funcionar como buracos de minhoca, que também seriam máquinas do tempo, embora não haja evidências disso na natureza.

Violando simetria de paridade de carga

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Se você trocar uma partícula por sua irmã de antimatéria, as leis da física permanecerão as mesmas. Assim, por exemplo, o próton com carga positiva deve ser semelhante a um antipróton com carga negativa. Esse é o princípio da simetria de carga. Se você trocar para a esquerda e para a direita, novamente, as leis da física devem ser as mesmas. Isso é simetria de paridade. Juntos, os dois são chamados de simetria CP. Na maioria das vezes, essa regra da física não é violada. No entanto, certas partículas exóticas violam essa simetria. McNees disse que é por isso que é estranho. "Não deve haver nenhuma violação de CP na mecânica quântica", disse ele. "Não sabemos por que isso acontece."

Quando as ondas sonoras produzem luz

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Embora as questões da física de partículas sejam responsáveis ??por muitos problemas não resolvidos, alguns mistérios podem ser observados em uma configuração de laboratório de bancada. A sonoluminescência é uma delas. Se você pegar um pouco de água e acertá-la com ondas sonoras, bolhas se formarão. Essas bolhas são regiões de baixa pressão cercadas por alta pressão; a pressão externa empurra o ar de baixa pressão e as bolhas entram em colapso rapidamente. Quando essas bolhas entram em colapso, elas emitem luz, em flashes que duram trilionésimos de segundo.

O problema é que está longe de ser claro qual é a fonte da luz. As teorias variam de minúsculas reações de fusão nuclear a algum tipo de descarga elétrica, ou mesmo aquecimento por compressão dos gases dentro das bolhas. Os físicos mediram altas temperaturas dentro dessas bolhas, da ordem de dezenas de milhares de graus Fahrenheit, e tiraram várias fotos da luz que elas produzem. Mas não há uma boa explicação de como as ondas sonoras criam essas luzes em uma bolha.

O que está além do modelo padrão?

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O Modelo Padrão é uma das teorias físicas mais bem-sucedidas já inventadas. Ela está enfrentando experimentos para testá-la por quatro décadas, e novos experimentos continuam mostrando que ela está correta. O Modelo Padrão descreve o comportamento das partículas que compõem tudo ao nosso redor, bem como explica por que, por exemplo, as partículas têm massa. Na verdade, a descoberta do bóson de Higgs, uma partícula que dá massa à matéria, em 2012 foi um marco histórico porque confirmou a previsão de longa data de sua existência. 

Mas o modelo padrão não explica tudo. O Modelo Padrão fez muitas previsões bem-sucedidas, por exemplo, o bóson de Higgs, o bóson W e Z (que medeiam as interações fracas que governam a radioatividade) e os quarks entre eles, então é difícil ver onde a física pode ir além disso. Dito isso, a maioria dos físicos concorda que o Modelo Padrão não está completo. Existem vários candidatos a modelos novos e mais completos, a teoria das cordas é um desses modelos, mas, até agora, nenhuma delas foi conclusivamente verificada por experimentos.

Constantes fundamentais

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Constantes adimensionais são números que não possuem unidades associadas a eles. A velocidade da luz, por exemplo, é uma constante fundamental medida em unidades de metros por segundo (ou 186.282 milhas por segundo). Ao contrário da velocidade da luz, constantes adimensionais não têm unidades e podem ser medidas, mas não podem ser derivadas de teorias, enquanto constantes como a velocidade da luz podem.

Em seu livro "Just Six Numbers: The Deep Forces That Shape the Universe" (Basic Books, 2001), o astrônomo Martin Rees se concentra em certas "constantes adimensionais" que ele considera fundamentais para a física. Na verdade, existem muito mais do que seis; cerca de 25 existem no Modelo Padrão

Por exemplo, a constante de estrutura fina, geralmente escrita como alfa, governa a intensidade das interações magnéticas. É cerca de 0,007297. O que torna esse número ímpar é que, se fosse diferente, não existiria matéria estável. Outra é a razão das massas de muitas partículas fundamentais, como elétrons e quarks, para a massa de Planck (que é 1,22´10¹⁹GeV/c²). Os físicos adorariam descobrir por que esses números específicos têm os valores que têm, porque se eles fossem muito diferentes, as leis físicas do universo não permitiriam que humanos estivessem aqui. E ainda não há nenhuma explicação teórica convincente de por que elas têm esses valores.

O que diabos é a gravidade, afinal?

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O que é gravidade, afinal? Outras forças são mediadas por partículas. O eletromagnetismo, por exemplo, é a troca de fótons. A força nuclear fraca é carregada pelos bósons W e Z, e os glúons carregam a força nuclear forte que mantém os núcleos atômicos unidos. McNees disse que todas as outras forças podem ser quantizadas, o que significa que podem ser expressas como partículas individuais e ter valores não contínuos.

A gravidade não parece ser assim. A maioria das teorias físicas afirma que ela deveria ser carregada por uma partícula hipotética sem massa chamada gráviton. O problema é que ninguém encontrou grávitons ainda, e não está claro se qualquer detector de partículas que pudesse ser construído poderia vê-los, porque se os grávitons interagem com a matéria, eles o fazem muito, muito raramente, tão raramente que seriam invisíveis contra o ruído de fundo. Nem mesmo está claro se os grávitons não têm massa, embora, se eles têm massa, ele é muito, muito pequeno, menor que a dos neutrinos, que estão entre as partículas mais leves conhecidas. A teoria das cordas postula que grávitons (e outras partículas) são circuitos fechados de energia, mas o trabalho matemático não rendeu muitos insights até agora.

Como os grávitons ainda não foram observados, a gravidade resistiu às tentativas de entendê-la da mesma forma que entendemos outras forças, como uma troca de partículas. Alguns físicos, notadamente Theodor Kaluza e Oskar Klein, postularam que a gravidade pode estar operando como uma partícula em dimensões extras além das três dimensões do espaço (comprimento, largura e altura) e uma do tempo (duração) com que estamos familiarizados, mas se isso é verdade ainda é desconhecido.

Vivemos em um falso vácuo?

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O universo parece relativamente estável. Afinal, existe há cerca de 13,8 bilhões de anos. Mas e se tudo fosse um grande acidente?

Tudo começa com o Higgs e o vácuo do universo. Vácuo, ou espaço vazio, deve ser o estado de energia mais baixo possível, porque não há nada nele. Enquanto isso, o bóson de Higgs, via o chamado campo de Higgs, dá a tudo sua massa. Escrevendo na revista Physics, Alexander Kusenko, professor de física e astronomia da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, disse que o estado de energia do vácuo pode ser calculado a partir da energia potencial do campo de Higgs e das massas do campo de Higgs e do top quark (uma partícula fundamental).

Até agora, esses cálculos parecem mostrar que o vácuo do universo pode não estar no estado de energia mais baixo possível. Isso significaria que é um falso vácuo. Se isso for verdade, nosso universo pode não ser estável, porque um falso vácuo pode ser levado a um estado de energia inferior por um evento suficientemente violento e de alta energia. Se isso acontecesse, haveria um fenômeno chamado nucleação de bolha. Uma esfera de vácuo de baixa energia começaria a crescer na velocidade da luz. Nada, nem mesmo a própria matéria, sobreviveria. Efetivamente, estaríamos substituindo o universo por outro, que pode ter leis físicas muito diferentes.

Isso parece assustador, mas dado que o universo ainda está aqui, claramente não houve tal evento ainda, e os astrônomos viram explosões de raios gama, supernovas e quasares, todos eles muito energéticos. Portanto, é provavelmente improvável o suficiente para que não precisemos nos preocupar. Dito isso, a ideia de um falso vácuo significa que nosso universo pode ter surgido exatamente dessa maneira, quando o falso vácuo de um universo anterior foi colocado em um estado de energia inferior. Talvez tenhamos sido o resultado de um acidente com um acelerador de partículas.

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Referência:

WOLCHOVER, Natalie; EMSPAK, Jesse. The 18 biggest unsolved mysteries in physics. Live Science, Nova York, 27, fev. 2017. Disponível em: <https://www.livescience.com/34052-unsolved-mysteries-physics.html>. Acesso em: 24, mar. 2021.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.