Quando Steven Weinberg morreu, o mundo perdeu um de seus pensadores mais profundos.

Steven Weinberg no American Physical Society Meeting em 1977. Seu trabalho em física de partículas redefiniu nossa compreensão do universo. Crédito da imagem: AIP Emilio Segrè Visual Archives, Weber Collection

Steven Weinberg, que morreu em 23 de julho, superou a física teórica na segunda metade do século XX. Ele acreditava fortemente que, armado apenas com os princípios fundamentais da relatividade e da mecânica quântica, o físico teórico poderia examinar todos os fenômenos do universo, da menor à maior escala. Seu trabalho transformou nossa compreensão de todos os aspectos da física fundamental de maneiras surpreendentemente profundas e originais.

Weinberg era um mestre da teoria quântica de campos, um ramo da física nascida da aplicação das regras da mecânica quântica ao campo eletromagnético, que vê uma partícula, o fóton, como uma excitação “quantizada” do campo. Ele foi fundamental para impulsionar a teoria quântica de campos a novos patamares surpreendentes na descrição da natureza.

Os temas de unificação e simetria impulsionaram todo o trabalho de Weinberg e levaram a sua famosa descoberta na unificação eletrofraca, que revelou uma unidade oculta entre duas das quatro forças fundamentais do universo. À primeira vista, as interações eletromagnética e fraca parecem totalmente diferentes: vemos as ondas eletromagnéticas como luz na vida cotidiana, enquanto a força fraca, responsável pela radioatividade, opera em escalas subnucleares. Weinberg percebeu que em energias muito altas, as duas forças deveriam estar entrelaçadas, descritas pelo que é conhecido como teoria de Yang-Mills, cujas equações têm uma propriedade especial chamada simetria de calibre. Mas esta comunalidade essencial é escondida pelo chamado mecanismo de Higgs, que gera massas para partículas elementares, como o elétron e as partículas W e Z (que medeiam interações fracas de curto alcance), o tempo todo deixando o fóton de longo alcance sem massa. O modelo que ele propôs em 1967 para realizar essa visão fez muitas previsões detalhadas e foram triunfantemente confirmadas por experimentos iniciados nas décadas de 1970 e 1980, culminados com a descoberta da partícula de Higgs em 2012. Weinberg compartilhou o Prêmio Nobel de Física de 1979 com Sheldon Glashow e Abdus Salam por este trabalho, um pilar do Modelo padrão da física de partículas.

Os alunos de teoria quântica de campos de Weinberg o parabenizam por compartilhar o Prêmio Nobel de Física de 1979. Crédito da imagem: HUV 2380.1. Harvard University Archives

Mas, ironicamente, esse esforço foi em muitos aspectos não característico da obra de Weinberg, já que ele tendia a se preocupar mais com as propriedades gerais das leis da natureza do que com modelos específicos. Ele tinha um estilo inconfundível, iniciando qualquer discussão a partir de princípios gerais e desenvolvendo uma cadeia sistemática de argumentos, um passo após o outro com aparente inevitabilidade. Embora amasse matemática, ele se concentrou diretamente em usá-la como uma ferramenta para descrever o mundo. Weinberg fez perguntas simples e profundas. Por que a natureza é descrita pela teoria quântica de campos? Por que existem tão poucas possibilidades para descrever as propriedades das partículas elementares e suas interações?

Nesse sentido, Weinberg reimaginou a teoria quântica de campos a partir de uma perspectiva diferente, afirmando a primazia da relatividade especial, da mecânica quântica e da noção de partículas como ponto de partida. Em seus primeiros trabalhos, ele estudou forças de longo alcance, como eletromagnetismo e gravidade, mediadas por partículas sem massa, o fóton e o gráviton. Como todas as partículas elementares, estas têm um momento angular intrínseco, ou “spin”, que vem em unidades quantizadas: os fótons têm spin 1 e os grávitons spin 2. Weinberg mostrou que a relatividade especial e a mecânica quântica impõem restrições impressionantes às interações de partículas sem massa. As partículas de spin 1 devem ser descritas por teorias cujas equações tenham simetria de calibre, enquanto as partículas de spin 2 devem ter as propriedades do gráviton, com força de acoplamento universal a todas as partículas. Isso forneceu uma derivação mais profunda do princípio de equivalência assumido por Albert Einstein como seu ponto de partida para o desenvolvimento da relatividade geral. Nenhuma outra possibilidade é consistente, as forças de longo alcance que vemos na natureza exaurem o que é permitido pela relatividade especial e pela mecânica quântica.

Outra contribuição marcante, que transformou nossa compreensão de por que a teoria quântica de campo descreve o mundo, foi sua introdução da noção de “teorias de campo eficazes”. Weinberg argumentou que os princípios da mecânica quântica e da localidade, a ideia de que experimentos realizados suficientemente distantes no espaço-tempo não devem afetar uns aos outros, garantem que as interações de partículas acessíveis em alguma escala de energia devem ser descritas por um simples "efetivo" teoria quântica de campos que envolve apenas essas partículas. As interações dominantes entre as partículas são dadas por um número finito de intensidades de interação, enquanto as impressões digitais da física desconhecida em energias mais altas são sistematicamente codificadas em um conjunto infinito de interações cada vez menores. (As ideias da teoria do campo eficaz também foram desenvolvidas na mesma época, a partir de uma perspectiva complementar, por Ken Wilson)

Acima de tudo, Weinberg foi um grande unificador. Ele não gostava da visão "einsteiniana" da gravidade como a curvatura do espaço-tempo, que dá à gravidade uma posição privilegiada na definição da arena onde todos os outros fenômenos operam, sentindo que isso erguia uma barreira artificial impedindo os pesquisadores de ver conexões mais profundas entre a gravidade e o resto da física. Isso o levou a formular a relatividade geral usando os métodos da física de partículas, no primeiro de seus muitos livros didáticos do passeio da força, Gravitation and Cosmology. Ele também percebeu que os campos aparentemente díspares da física de partículas e cosmologia tinham que ser unidos, uma vez que as colisões de alta energia entre as partículas elementares eram onipresentes nas condições densas e quentes do universo primitivo logo após o Big Bang, e ele forneceu as ferramentas teóricas necessárias para inaugurar uma era de ouro de explorações na cosmologia do universo inicial.

Além de seu trabalho transformacional na física, Weinberg também escreveu várias obras populares, que se mostraram influentes até mesmo para outros pesquisadores. Crédito da imagem: AIP Emilio Segrè Visual Archives, Segre Collection

O fascínio de Weinberg pela cosmologia o levou a refletir sobre o infame problema da constante cosmológica. As violentas flutuações da mecânica quântica, presentes em todo lugar no vácuo, deveriam dotar o espaço vazio com uma densidade de energia enorme e fazer com que o espaço-tempo fosse altamente curvo, em total desacordo com o grande universo quase plano que observamos. Por que essa energia do vácuo, ou “constante cosmológica”, é tão pequena? Em 1987, Weinberg propôs uma abordagem radical para este problema usando uma versão mínima do "princípio antrópico". Ele raciocinou que talvez a energia do vácuo pudesse assumir valores diferentes e que, se fosse maior do que um tamanho de minuto específico, uma expansão acelerada do universo destruiria galáxias antes que tivessem a chance de se formar, levando a um universo vazio e sem estrutura, uma pessoa desprovida se perguntando sobre o tamanho da constante cosmológica. Weinberg argumentou que isso previa um tamanho minúsculo, mas diferente de zero, para a energia do vácuo. Em 1998, os astrônomos descobriram que a expansão do universo está se acelerando, com a explicação mais simples sendo a presença de energia do vácuo quase do tamanho sugerido pelo argumento de Weinberg. Weinberg evitou amplamente os muitos discursos retóricos enfadonhos em torno do princípio antrópico que se seguiu, contentando-se em ter usado pragmaticamente o raciocínio antrópico para fazer uma previsão correta sobre a natureza.

Além de ser um dos maiores teóricos de sua época, Weinberg também foi publicamente o intelectual proeminente da física fundamental. Seu primeiro livro popular, “Os três primeiros minutos”, sobre cosmologia e o Big Bang, se tornou um clássico instantâneo e se provou profundamente influente tanto para o público em geral quanto para pesquisadores profissionais. Muitos físicos, começaram a aprender cosmologia com este livro. Em Dreams of a Final Theory, Weinberg expôs eloquentemente a noção de “beleza” na física, enfatizando que não é um julgamento estético caprichoso, mas um reflexo da incrível rigidez das leis físicas e do senso cada vez maior da inevitabilidade associada à maneira como explicam o mundo.

Weinberg foi o herói intelectual da vida de muitos estudantes de graduação em física. Seus livros de teoria quântica de campo foram uma dádiva, e suas perspectivas sobre a inevitabilidade da teoria quântica de campo e sobre a teoria de campo efetiva formaram a base da imagem do mundo. Weinberg usava notação excessivamente detalhada que gerava equações completas, então uma leitura casual de seu texto era impossível.

Discernir a simplicidade fundamental por trás do funcionamento interno da natureza é o objetivo mais elevado que um físico teórico pode aspirar. Ninguém nos últimos 60 anos fez isso melhor do que Weinberg. Ele também foi um pensador profundo e humano, que nos ensinou a todos como buscar aquilo que, como ele disse, “eleva a vida humana um pouco acima do nível da farsa e dá a ela um pouco da graça da tragédia”. Seu exemplo servirá para sempre como inspiração e modelo para uma vida profundamente vivida.

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Referência:

HAMED, Nima Arkani. How Steven Weinberg Transformed Physics and Physicists. Quanta Magazine, 11, ago. 2021. Disponível em: <https://www.quantamagazine.org/how-steven-weinberg-transformed-physics-and-physicists-20210811/?fbclid=IwAR3f61ENRar-44TAQMCnpcsrG-PjY7y-R9_8RpbJGpSQvs9-Don52C7l31c>. Acesso em: 28, dez. 2021.