Muito se desconhece sobre a natureza do próprio universo. É a curiosidade inerente ao ser humano, que leva à busca de respostas a essas questões, que impulsiona a ciência. Já acumulamos uma quantidade incrível de conhecimento, e os sucessos de nossas duas teorias principais - a teoria quântica de campos, que descreve o modelo padrão, e a relatividade geral, que descreve a gravidade - demonstram o quão longe chegamos no entendimento da própria realidade.
Muitas pessoas estão pessimistas sobre nossos esforços atuais e planos futuros para resolver os grandes mistérios cósmicos que nos confundem hoje. Nossas melhores hipóteses para a nova física, incluindo supersimetria, dimensões extras, tecnicolor, teoria das cordas e outras, não foram capazes de obter qualquer confirmação experimental até agora. Mas isso não significa que a física esteja em crise. Isso significa que tudo é exatamente como deveria ser: a física diz a verdade sobre o universo. Nossos próximos passos nos mostrarão como ouvimos bem.
Os maiores mistérios do universo
Um século atrás, as maiores perguntas que poderíamos fazer incluíam alguns enigmas existenciais extremamente importantes, como:
- Quais são os menores constituintes da matéria?
- Nossas teorias sobre as forças da natureza são realmente fundamentais ou é necessária uma compreensão mais profunda?
- Quão grande é o universo?
- Nosso Universo sempre existiu ou apareceu em algum momento do passado?
- Como as estrelas brilham?
Naquela época, esses mistérios ocupavam as mentes das maiores pessoas. Muitos nem mesmo pensaram que poderiam ser respondidos. Em particular, eles exigiram um investimento de recursos aparentemente tão grandes que foi sugerido que simplesmente nos contentássemos com o que sabíamos na época e usássemos esse conhecimento para o desenvolvimento da sociedade.
Claro, nós não fizemos isso. Investir na sociedade é extremamente importante, mas tão importante quanto ultrapassar os limites do conhecido. Graças a novas descobertas e métodos de pesquisa, fomos capazes de obter as seguintes respostas:
- Os átomos são feitos de partículas subatômicas, muitas das quais subdivididas em constituintes ainda menores; agora conhecemos todo o modelo padrão.
- Nossas teorias clássicas foram substituídas por teorias quânticas, combinando quatro forças fundamentais: nuclear forte, eletromagnética, nuclear fraca e gravitacional.
- O universo observável se estende por 46,1 bilhões de anos-luz em todas as direções; o universo observável pode ser muito maior ou infinito.
- 13,8 bilhões de anos se passaram desde o evento conhecido como Big Bang, que deu origem ao universo que conhecemos. Foi precedido por uma era inflacionária de duração indefinida.
- As estrelas brilham graças à física da fusão nuclear, convertendo matéria em energia de acordo com a fórmula de Einstein E = mc2.
E, no entanto, só aprofundou os mistérios científicos que nos cercam. Com tudo o que sabemos sobre partículas fundamentais, temos certeza de que deve haver muitas outras coisas no Universo que ainda são desconhecidas para nós. Não podemos explicar a aparente presença de matéria escura, não entendemos a energia escura e não sabemos por que o universo está se expandindo desta forma e não de outra forma.
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Não sabemos por que as partículas são tão massivas; por que o Universo é dominado por matéria, não antimatéria; porque os neutrinos têm massa. Não sabemos se o próton é estável, se algum dia irá decair ou se a gravidade é uma força quântica da natureza. E embora saibamos que a inflação foi precedida pelo Big Bang, não sabemos se a própria inflação começou ou foi eterna.
Os humanos podem resolver esses enigmas? Será que os experimentos que podemos fazer com a tecnologia atual ou futura lançar luz sobre esses mistérios fundamentais?
A resposta à primeira pergunta é possível; não sabemos quais segredos a natureza guarda até que vejamos. A resposta à segunda pergunta é inequivocamente sim. Mesmo que todas as teorias que levantamos sobre o que está além dos limites do conhecido - o Modelo Padrão e a Relatividade Geral - estejam 100% erradas, há uma grande quantidade de informações que podem ser obtidas realizando os experimentos que planejamos executar a seguir. geração. Não construir todas essas instalações seria uma grande loucura, mesmo se elas confirmarem o cenário de pesadelo que os físicos de partículas temem há muitos anos.
Quando você ouve sobre um acelerador de partículas, provavelmente imagina todas essas novas descobertas que nos aguardam em energias superiores. A promessa de novas partículas, novas forças, novas interações ou mesmo setores completamente novos da física é o que os teóricos gostam de errar, mesmo que experimento após experimento dê errado e não cumpra essas promessas.
Há uma boa razão para isso: a maioria das idéias que alguém pode ter na física já foi excluída ou severamente limitada pelos dados que já temos. Se você deseja descobrir uma nova partícula, campo, interação ou fenômeno, não deve postular algo que seja incompatível com o que já sabemos com certeza. Claro, poderíamos fazer suposições que mais tarde se revelariam erradas, mas os próprios dados devem estar de acordo com qualquer nova teoria.
É por isso que o maior esforço da física não vai para novas teorias ou novas ideias, mas para experimentos que nos permitirão ir além do que já exploramos. Claro, encontrar o bóson de Higgs pode ser um grande zumbido, mas quão fortemente o Higgs está relacionado ao bóson Z? Quais são todas essas conexões entre essas duas partículas e outras no modelo padrão? É fácil criá-los? Uma vez criado, haverá decaimentos mútuos que diferem do decaimento do Higgs padrão mais o bóson Z padrão?
Existe uma técnica que pode ser usada para investigar isso: criar uma colisão elétron-pósitron com a massa exata do Higgs e do bóson Z. Em vez de algumas dezenas ou centenas de eventos que criam os bósons de Higgs e Z, como o LHC faz, você pode criar milhares, centenas de milhares ou até milhões deles.
Claro, o público em geral ficará mais animado em encontrar uma nova partícula do que qualquer outra coisa, mas nem todo experimento é projetado para criar novas partículas - e não precisa ser. Alguns se destinam a investigar matéria já conhecida por nós e estudar em detalhes suas propriedades. O Large Electron-Positron Collider, o precursor do LHC, nunca encontrou uma única nova partícula fundamental. Como o experimento DESY, que colidiu elétrons com prótons. E o mesmo acontece com o colisor de íons pesados relativístico.
E isso era de se esperar; o propósito desses três aceleradores era diferente. Consistia em explorar a matéria que realmente existe com uma precisão sem precedentes.
Não parece que esses experimentos apenas confirmaram o Modelo Padrão, embora tudo o que eles encontraram fosse consistente com o Modelo Padrão. Eles criaram novas partículas compostas e mediram as ligações entre elas. Relações decadência e ramificação foram descobertas, bem como diferenças sutis entre matéria e antimatéria. Algumas partículas se comportaram de maneira diferente de suas contrapartes no espelho. Outros pareciam quebrar a simetria da reversão do tempo. No entanto, descobriu-se que outros se misturavam, criando estados limitados dos quais nem estávamos cientes.
O propósito do próximo grande experimento científico não é simplesmente pesquisar uma coisa ou testar uma nova teoria. Precisamos coletar um grande conjunto de dados indisponíveis de outra forma e deixar que esses dados guiem o setor.
Claro, podemos projetar e construir experimentos ou observatórios com base no que esperamos encontrar. Mas a melhor escolha para o futuro da ciência será uma máquina polivalente que possa coletar grandes e variadas quantidades de dados que não teriam sido possíveis sem esses enormes investimentos. É por isso que o Hubble tem sido tão bem sucedido, porque o Fermilab e o LHC empurraram os limites mais longe do que nunca e porque futuras missões como o Telescópio Espacial James Webb, futuros observatórios de classe de 30 metros ou futuros colisões serão necessárias se quisermos responder ao mais fundamental perguntas de todos.
Existe um velho ditado nos negócios que também se aplica à ciência: “Mais rápido. É melhor. Mais barato. Escolhe dois. O mundo está se movendo mais rápido do que nunca. Se começarmos a poupar e não investirmos no “melhor”, será como desistir.
Ilya Khel
