Por meio de uma variedade de testes na Terra e em todo o universo, os físicos não mediram nenhuma mudança no tempo ou no espaço para nenhuma das constantes fundamentais da natureza

Esta ilustração mostra as três etapas básicas que os astrônomos usam para calcular a rapidez com que o universo se expande ao longo do tempo, um valor chamado de constante de Hubble. Todas as etapas envolvem a construção de uma forte "escada de distância cósmica", começando com a medição de distâncias precisas para galáxias próximas e, em seguida, movendo-se para galáxias cada vez mais distantes. Esta escada é uma série de medições de diferentes tipos de objetos astronômicos com um brilho intrínseco que os pesquisadores podem usar para calcular distâncias. Crédito da imagem: NASA, ESA e A. Feild (STScI)

Toda a física moderna repousa sobre dois pilares principais. Um deles é a teoria da relatividade geral de Einstein, que usamos para explicar a força da gravidade. O outro é o Modelo Padrão, que usamos para descrever as outras três forças da natureza: O eletromagnetismo, a força nuclear forte e a força nuclear fraca. Empunhando essas teorias, os físicos podem explicar vastas faixas de interações em todo o universo.

O Modelo Padrão requer 19 constantes para inserir nas equações. Isso inclui parâmetros como as massas de nove férmions (como o elétron e o quark up), a intensidade das forças nucleares e as constantes que controlam como o bóson de Higgs interage com outras partículas. Como o Modelo Padrão não prevê automaticamente as massas dos neutrinos, para incluir toda a sua dinâmica temos que adicionar mais sete constantes.

São 28 números que determinam completamente toda a física do universo conhecido.

Não tão constante 

Muitos físicos argumentam que ter todas essas constantes parece um pouco artificial. Nosso trabalho como cientistas é explicar tantos fenômenos variados quanto possível com o mínimo de suposições iniciais que pudermos fazer. Os físicos acreditam que a relatividade geral e o Modelo Padrão não são o fim da história, especialmente porque essas duas teorias não são compatíveis entre si. Eles suspeitam que haja alguma teoria mais profunda e fundamental que una esses dois ramos.

Essa teoria mais fundamental poderia ter qualquer número de constantes fundamentais associadas a ela. Poderia ter o mesmo conjunto de 28 que vemos hoje. Poderia ter suas próprias constantes independentes, com o 28 aparecendo como expressões dinâmicas de alguma física subjacente. Poderia até não ter nenhuma constante, com a teoria fundamental capaz de se explicar em sua totalidade sem que nada tivesse que ser adicionado à mão.

Não importa o que aconteça, se nossas constantes fundamentais não forem realmente constantes, se elas variarem no tempo ou no espaço, isso seria um sinal de física além do que conhecemos atualmente. E medindo essas variações, poderíamos obter algumas pistas sobre uma teoria mais fundamental.

E os físicos criaram uma série de experimentos para testar a constância dessas constantes.

Constantes para o teste

Um teste envolve relógios atômicos ultraprecisos. A operação de um relógio atômico depende da força da interação eletromagnética, da massa do elétron e do spin do próton. Comparar relógios em locais diferentes ou observar o mesmo relógio por longos períodos de tempo pode revelar se alguma dessas constantes muda.

Outro teste engenhoso envolve a mina de urânio Oklo, no Gabão. Dois bilhões de anos atrás, o local atuou como um reator nuclear natural que operou por alguns milhões de anos. Se alguma das constantes fundamentais fosse diferente naquela época, os produtos desse processo radioativo, que sobrevivem até os dias atuais, seriam diferentes do esperado.

Olhando para escalas maiores, os astrônomos estudaram a luz emitida pelos quasares, que são objetos ultraluminosos alimentados por buracos negros situados a bilhões de anos-luz de distância de nós. A luz desses quasares teve que percorrer enormes distâncias para chegar até nós, e eles passaram por inúmeras nuvens de gás que absorveram parte dessa luz. Se as constantes fundamentais fossem diferentes em todo o universo, essa absorção seria alterada e os quasares em uma direção pareceriam sutilmente diferentes dos quasares em outras direções.

Nas maiores escalas, os físicos podem usar o próprio Big Bang como um laboratório. Eles podem usar nosso conhecimento de física nuclear para prever a abundância de hidrogênio e hélio produzidos nos primeiros doze minutos do Big Bang. E eles podem usar a física do plasma para prever as propriedades da luz emitida quando nosso universo esfriou de um plasma para um gás neutro quando tinha 380.000 anos. Se as constantes fundamentais fossem diferentes há muito tempo, isso apareceria como uma incompatibilidade entre teoria e observação.

Nesses experimentos e em outros, ninguém jamais observou qualquer variação nas constantes fundamentais. Não podemos descartá-la completamente, mas podemos colocar limites incrivelmente rigorosos em suas possíveis mudanças. Por exemplo, sabemos que a constante de estrutura fina, que mede a força da interação eletromagnética, é a mesma em todo o universo até 1 parte por bilhão. 

Enquanto os físicos continuam em busca de uma nova teoria para substituir o Modelo Padrão e a relatividade geral, parece que as constantes que conhecemos e amamos vieram para ficar.

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Referência:

SUTTER, Paul. How do we know the fundamental constants are constant? We don't. Space, Nova York, 27, dez. 2022. Disponível em: <https://www.space.com/are-fundamental-constants-of-universe-constant>. Acesso em: 28, dez. 2022.

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.