A solução de por que a gravidade é tão fraca pode vir de um olhar mais atento ao bóson de Higgs

Uma ilustração da Terra dobrando o tecido do espaço-tempo. Crédito da imagem: Getty Images

Por que a gravidade é tão fraca em comparação com as outras quatro forças fundamentais? 

Mesmo que fosse um bilhão de vezes mais forte, ainda seria a força mais fraca, por um fator de um bilhão de bilhões. A estranha fraqueza da gravidade se destaca, quase exigindo uma resposta.

Estranhamente, a solução para a fraqueza da gravidade pode não estar na gravidade em si, mas na mecânica do bóson de Higgs e na própria natureza do espaço-tempo.

O PROBLEMA DA HIERARQUIA

Levante um pedaço de papel. Parabéns, você conseguiu neutralizar com sucesso o poder gravitacional combinado de todo o planeta.

Não foi preciso muito esforço porque a gravidade é, de longe, a mais fraca das quatro forças fundamentais da natureza. Por uma medida, a gravidade é um bilhão de bilhões de bilhões de vezes mais fraca do que a força nuclear forte, a mais forte de todas as forças.

Veja outra maneira de imaginar a verdadeira escala da fraqueza da gravidade. Há um limite para o menor buraco negro possível que você pode construir, e é chamada de massa de Planck. Você pode calculá-la obtendo a raiz quadrada da constante de Planck reduzida vezes a velocidade da luz dividida pela força G de Newton. Essa massa é de cerca de 10^-8 quilogramas. Se a gravidade fosse forte, se o G de Newton fosse maior, então você poderia criar buracos negros ainda menores e mais leves.

Em comparação, os bósons W e Z, os portadores de força da força nuclear fraca, são cerca de 10 quatrilhões de vezes mais leves que a massa de Planck. Assim, a força nuclear fraca, a próxima força mais poderosa depois da gravidade, é quatrilhões de vezes mais forte que a gravidade.

Esse "problema de hierarquia" parece estranho para a maioria dos físicos. Claro, poderia ser apenas como o universo é, sem necessidade de explicação, mas isso não é muito satisfatório. Ao invés disso, parece uma oportunidade de aprofundar a física das forças fundamentais e ver se há algo novo que podemos aprender.

O QUE O HIGGS ESTÁ ACONTECENDO?

Vamos deixar de lado o eletromagnetismo e a força nuclear forte e apenas comparar a gravidade com seu rival "mais próximo", a força nuclear fraca. Talvez, se pudermos responder por que a força nuclear fraca é tão impressionantemente mais forte que a gravidade, poderemos então entender todo o quadro.

Não temos ideia de por que a gravidade tem a força que tem. Não há nada que apareça em qualquer teoria da física para explicar sua força. Mas há algo que parece explicar as propriedades da força nuclear fraca, e esse é o bóson de Higgs.

O bóson de Higgs é o campo que absorve todo o espaço-tempo e força de muitas outras partículas, como elétrons, interagindo com ele. Essa interação faz com que esses elétrons adquiram uma massa. Quanto mais algo interage com o Higgs, maior massa ele obtém.

Entre as muitas partículas que interagem com o bóson de Higgs estão os bósons W e Z, e é através dessa interação que eles adquirem massa. E é a massa dos bósons W e Z que define as propriedades da força nuclear fraca, porque são essas mesmas partículas que estão fazendo o trabalho.

E o que define a massa de todas as partículas que interagem com o Higgs? Ora, nada menos que a massa do próprio Higgs. Se tivesse uma massa diferente, todas as outras partículas, incluindo os bósons W e Z, mudariam.

Uma representação visual do evento de 2012 no detector CMS do CERN mostra a característica de decaimento de um bóson de Higgs em um par de fótons (linhas amarelas tracejadas e torres verdes). Crédito da imagem: CERN

Agora é um bom momento para salientar que a massa do Higgs é extremamente estranha. É grande, cerca de 250 GeV, que é grande à medida que as partículas seguem, mas não tão grande. Também não é minúscula. De fato, um entendimento ingênuo da mecânica quântica de como o Higgs funciona, prevê que todas as interações das quais ele participa constantemente, o que é muito, se cancelam perfeitamente, enviando sua massa a zero, ou reforçam umas às outras, aumentando sua massa para algum lugar próximo ao infinito.

Algo está fazendo com que o bóson de Higgs seja ajustado com precisão para dentro de uma faixa "aceitável" que mantém tudo razoável. Mas esse bóson de Higgs limita os bósons W e Z a seus valores minúsculos, permitindo assim que a força nuclear fraca seja muito, muito mais forte que a gravidade.

Em outras palavras, a gravidade é a força mais fraca do universo não porque há algo errado com a gravidade, mas porque a força fraca é 'trapaceira'.

UMA PEQUENA REVIRAVOLTA NO ESPAÇO-TEMPO

Não há solução aceita para o estado não natural da massa de Higgs e, portanto, nenhuma solução aceita para o problema da hierarquia e a estranha fraqueza da gravidade.

Mas toda essa discussão pressupõe que estamos calculando tudo corretamente, a massa do Higgs, a massa de Planck e assim por diante. Talvez estejamos perdendo algo fundamental sobre o universo.

Entre as muitas soluções potenciais, algumas ideias questionam nossa compreensão do próprio tecido do espaço-tempo. A teoria das cordas já preparou o terreno para tais ideias, exigindo a existência de novas dimensões espaciais compactas para obter a matemática da teoria para dar certo.

Uma ilustração artística conceitual da teoria das cordas. Crédito da imagem: Getty Images

Mas na teoria das cordas, essas dimensões extras são super pequenas, enroladas em pequenas formas apertadas, não maiores que o comprimento de Planck.

É possível, porém, que algumas dessas dimensões extras sejam um pouco maiores. Essas teorias são geralmente chamadas de "grandes dimensões extras", mas essas dimensões extras não são tão grandes quanto você imagina, apenas um milímetro ou mais.

Nessas teorias, as outras três forças da natureza estão restritas ao nosso universo tridimensional normal, que às vezes é chamado de "brana". No entanto, a gravidade consegue estender seu alcance por todas as dimensões, o chamado "bulk". Nesta visão, a gravidade é tão forte, se não mais forte! - do que as outras forças, mas é forçada a se espalhar por mais dimensões do que qualquer outra pessoa. Então, parece mais fraca para nossos experimentos tridimensionais.

Testamos a gravidade com níveis incríveis de precisão, mas não necessariamente em escalas tão pequenas. Se nosso universo tivesse dimensões espaciais "grandes" extras, começaríamos a ver coisas estranhas acontecendo a distâncias de menos de um milímetro.

Por exemplo, podemos ver a gravidade agindo mais forte do que o esperado em pequenas distâncias, porque não houve chance de "vazar" para as dimensões extras. Ou podemos começar a criar pequenos buracos negros em nossos colisores de partículas, porque nessas escalas minúsculas, seria mais fácil do que pensávamos construir um buraco negro.

Até agora, nenhum experimento até o momento encontrou qualquer evidência de dimensões extras. E a gravidade continua frustrantemente fraca.

Saiba mais ouvindo o podcast "Ask a Spaceman", disponível no iTunes e askaspaceman.com. Faça sua própria pergunta no Twitter usando #AskASpaceman ou seguindo Paul @PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter

RECURSOS ADICIONAIS

Para mais informações sobre a gravidade confira "A ascensão da gravidade: A busca para entender a força que explica tudo" por Marcus Chown e "A realidade não é o que parece: A jornada para a gravidade quântica" por Carlos Rovelli. 

BIBLIOGRAFIA

• Kapil Chandra, "Por que a gravidade é uma força fraca da natureza", Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, Volume 6, julho de 2020.
• Daniel Harlow, et al, "A Conjectura da Gravidade Fraca: Uma Revisão", Física de Altas Energias – Teoria, janeiro de 2022. 
• Shahar Hod, "Uma prova da conjectura da gravidade fraca", International Journal of Modern Physics D, Volume 26, junho de 2017. 
• Cern, "O Bóson de Higgs", acesso em junho de 2022. 
• Cern, "O bóson Z", acesso em junho de 2022. 
• Cern, "O bóson Z: O brilho do sol e a poeira estelar", acesso em junho de 2022. 
• Sociedade Espacial Nacional, "O que é Gravidade", acesso em junho de 2022.

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Referência:

SUTTER, Paul Matt. Why is gravity so weak? The answer may lie in the very nature of space-time. Space, Nova York, 28, jul. 2022. References. Disponível em: <https://www.space.com/why-is-gravity-so-weak>. Acesso em: 30, jul. 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.