Por que, então, o tempo parece se mover em apenas uma direção?
Uma das respostas possíveis também pode revelar os segredos da massa perdida. Alguns dos fatos de nossa experiência são tão óbvios e difundidos quanto a diferença entre o passado e o futuro. Nós nos lembramos de uma coisa, mas esperamos outra. Se você rodar o filme na direção oposta, ele não será realista. Dizemos "seta do tempo", significando o caminho do passado para o futuro.
Pode-se supor que a existência da flecha do tempo está embutida nas leis fundamentais da física. Mas o oposto também é verdadeiro. Se você fizesse um filme sobre eventos subatômicos, descobriria que sua versão invertida no tempo parece bastante razoável. Mais precisamente, as leis fundamentais da física - com exceção de minúsculas exceções exóticas, às quais voltaremos - funcionarão independentemente de girarmos a alavanca do tempo para frente ou para trás. Contra o pano de fundo das leis fundamentais da física, a flecha do tempo é reversível.
Logicamente, uma transformação que inverte a direção do tempo também deve mudar as leis fundamentais. O bom senso dita o que deve ser feito. Mas isso não muda. Os físicos usam um acrônimo conveniente para descrever esse fato. Eles chamam de reversão do tempo a transformação que inverte a flecha do tempo. E o fato de que T não muda as leis fundamentais é referido como "invariância T" ou "simetria T".
A experiência cotidiana viola a invariância T, enquanto as leis fundamentais a respeitam. Essa discrepância flagrante levanta questões difíceis. Como o mundo real, cujas leis fundamentais respeitam a simetria T, consegue parecer tão assimétrico? É possível que um dia encontremos seres vivendo no ritmo oposto do tempo - que ficam mais jovens à medida que envelhecemos? Podemos, por meio de algum processo físico, reverter nossa própria flecha do tempo?
Essas são perguntas interessantes, e voltaremos a elas mais tarde. Neste artigo, Frank Wilczek, um físico teórico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e ganhador do Prêmio Nobel, decidiu cobrir outro assunto. Ela surge quando você começa na outra extremidade, dentro da estrutura de uma experiência compartilhada. O enigma é esse?
Por que as leis fundamentais têm essa propriedade problemática e estranha, a invariância T?
A resposta que pode ser oferecida hoje é incomparavelmente mais profunda e complexa do que aquela que poderíamos oferecer há 50 anos. A compreensão de hoje emergiu da brilhante interação de descoberta experimental e análise teórica, que ganhou vários prêmios Nobel. Mas nossa resposta não contém alguns elementos. A busca por eles pode nos levar a uma recompensa inesperada: a definição cosmológica de "matéria escura".
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A história moderna da invariância T começou em 1956. Naquele ano, T. D. Lee e C. N. Young questionaram outra característica da lei física, mas relacionada, que antes era considerada certa. Lee e Young não foram incomodados por T em si, mas por sua contraparte espacial, a transformação de paridade de P. Enquanto T envolve a exibição de filmes voltando no tempo, P inclui a exibição de filmes refletidos em um espelho. P-invariância é a hipótese de que os eventos que você vê em filmes refletidos obedecem às mesmas leis dos originais. Lee e Young identificaram inconsistências indiretas nessa hipótese e propuseram um experimento importante para testá-las. Experimentos ao longo de vários meses mostraram que a invariância P é violada em muitos casos. (P-invariância é conservada para interações gravitacionais, eletromagnéticas e fortes,mas geralmente violado para interações fracas).
Esses eventos dramáticos em torno da (não) invariância P levaram os físicos a pensar sobre a invariância T, uma suposição relacionada que também já foi tida como certa. No entanto, a hipótese da invariância T foi submetida a testes rigorosos por vários anos. Foi apenas em 1964 que um grupo liderado por James Cronin e Valentina Fitch descobriu um efeito peculiar e sutil nos decaimentos dos mésons K, que violam a invariância T.
A sabedoria do entendimento de John Mitchell - que "você não sabe o que tem até que se vá" - foi comprovada posteriormente.
Se nós, como crianças, continuarmos perguntando “por quê?” Obteremos respostas mais profundas por um tempo, mas eventualmente chegaremos ao fundo do poço quando chegarmos a uma verdade que não podemos explicar de forma mais simples. Neste momento, declaramos vitória: "Tudo é como é." Mas se mais tarde encontrarmos exceções à nossa suposta verdade, essa resposta não mais nos satisfará. Devemos seguir em frente.
Enquanto a invariância T for uma verdade universal, não está claro quão útil nossa pergunta será no início. Por que o universo era invariante T? Só porque. Mas depois de Cronin e Fitch, o quebra-cabeça da invariância T simplesmente não pode ser ignorado.
Muitos físicos teóricos enfrentaram o problema incômodo de entender como a invariância T pode ser extremamente precisa, mas não exatamente. E aqui o trabalho de Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa foi útil. Em 1973, eles sugeriram que a invariância T aproximada é uma consequência acidental de outros princípios mais profundos.
O tempo passou. Não muito antes disso, os contornos do moderno Modelo Padrão da física de partículas elementares foram traçados, e com eles um novo nível de transparência das interações fundamentais. Em 1973, havia uma estrutura teórica poderosa - e empiricamente bem-sucedida - baseada em vários "princípios sagrados". São relatividade, mecânica quântica e uma regra matemática de uniformidade chamada simetria de calibre.
Mas fazer com que todas essas ideias funcionassem juntas foi difícil. Juntos, eles limitam significativamente as possibilidades de interações básicas.
Kobayashi e Maskawa, em dois parágrafos curtos, fizeram duas coisas. Primeiro, eles mostraram que se restringirmos a física às partículas então conhecidas (por exemplo, se houvesse apenas duas famílias de quarks e léptons), todas as interações permitidas pelos princípios sagrados também seguiriam a invariância T. Se Cronin e Fitch nunca tivessem feito sua descoberta, este não seria o caso. Mas eles fizeram, e Kobayashi e Maskawa foram ainda mais longe. Eles mostraram que se introduzirmos um conjunto especial de novas partículas (a terceira família), essas partículas levarão a novas interações, levando a violações da invariância T. À primeira vista, exatamente o que o médico receitou.
Nos anos que se seguiram, seu brilhante exemplo de trabalho de detetive foi plenamente justificado. As novas partículas que Kobayashi e Maskawa admitiram existir foram descobertas e suas interações acabaram sendo exatamente o que deveriam ter sido.
Atenção, pergunta. Esses princípios sagrados são realmente sagrados? Claro que não. Se os experimentos levarem os cientistas a complementar esses princípios, eles certamente irão complementar. No momento, os princípios sagrados parecem muito bons. E foram frutíferos o suficiente para levá-los a sério.
Até agora, foi uma história de triunfo. A pergunta que colocamos no início, um dos quebra-cabeças mais difíceis de como o mundo funciona, recebeu uma resposta parcial: profunda, bela, fecunda.
Alguns anos após o trabalho de Kobayashi e Maskawa, Gerard t'Hooft descobriu uma lacuna em sua explicação da invariância T. Os princípios sagrados permitem um tipo adicional de interação. A possível nova interação é bastante sutil, e a descoberta de t'Hooft foi uma surpresa para a maioria dos físicos teóricos.
A nova interação, se presente com força significativa, violaria a invariância T em um grau muito mais óbvio do que o efeito descoberto por Cronin, Fitch e seus colegas. Em particular, permitiria que a rotação do nêutron gere um campo elétrico, além do campo magnético que pode induzir. (O campo magnético de um nêutron girando é análogo ao que nossa Terra giratória produz, embora em uma escala completamente diferente.) Os experimentadores têm procurado arduamente por esses campos elétricos, mas a pesquisa não produziu resultados.
É como se a natureza não quisesse usar a brecha do Hooft. Claro, esse é o seu direito, mas esse direito novamente levanta nossa questão: por que a natureza segue a invariância T tão cuidadosamente?
Várias explicações foram oferecidas, mas apenas uma resistiu ao teste do tempo. A ideia central pertence a Roberto Pezzie e Helen Quinn. A proposta deles, como a de Kobayashi e Maskawa, envolve estender o Modelo Padrão de uma maneira especial. Por exemplo, por meio de um campo neutralizante, cujo comportamento é especialmente sensível à nova interação t'Hooft. Se uma nova interação estiver presente, o campo neutralizante ajusta sua própria magnitude para compensar a influência dessa interação. (Este processo de ajuste é geralmente semelhante a como elétrons carregados negativamente em sólidos se reúnem em torno de impurezas carregadas positivamente e protegem sua influência.) Esse campo neutralizante, ao que parece, fecha nossa lacuna.
Pezzie e Quinn esqueceram as importantes implicações testáveis de sua ideia. As partículas produzidas por seu campo neutralizante - seus quanta - devem ter propriedades notáveis. Já que se esqueceram de suas partículas, também não as nomearam. Isso me permitiu realizar meu sonho de infância.
Alguns anos antes, eu tinha visto uma caixa de cores vivas em um supermercado chamado Axion. Pareceu-me que o "axion" soava como uma partícula e, ao que parece, é. Então, quando descobri uma nova partícula que "limpa" o problema com um fluxo "axial", senti que tinha uma chance. (Eu logo descobri que Steven Weinberg também descobriu essa partícula, de forma independente. Ele a chamou de Higglet. Felizmente, ele concordou em abandonar esse nome.) Assim começou o épico, cuja conclusão ainda está para ser escrita.
Em Chronicles of the Particle Data Group, você encontrará várias páginas cobrindo dezenas de experimentos que descrevem buscas malsucedidas do áxion. Mas ainda há motivos para otimismo.
A teoria dos axions prevê, em termos gerais, que os axions devem ser partículas muito leves e de vida muito longa, que interagem fracamente com a matéria comum. Mas, para comparar a teoria e o experimento, você precisa confiar em números. E aqui estamos diante de uma ambigüidade, uma vez que a teoria existente não fixa o valor da massa do áxion. Se soubéssemos a massa do áxion, preveríamos o resto de suas propriedades. Mas a própria massa pode estar em uma ampla gama de valores. (O mesmo problema ocorria com o quark encantado, a partícula de Higgs, o quark top e alguns outros. Antes da descoberta de cada uma dessas partículas, a teoria previa todas as suas propriedades, exceto o valor da massa). Descobriu-se que a força de interação do áxion é proporcional à sua massa. Portanto, à medida que o valor da massa do axião diminui, ele se torna cada vez mais evasivo.
No passado, os físicos se concentraram em modelos nos quais o áxion estava intimamente relacionado à partícula de Higgs. Presumiu-se que a massa do axião deveria ser da ordem de 10 keV - um e cinquenta da massa de um elétron. A maioria dos experimentos sobre os quais falamos anteriormente buscava um axion desse plano. No momento, podemos ter certeza de que tais axions não existem.
Matéria escura
E, portanto, chamou-se a atenção para valores muito menores das massas dos áxions, que não foram excluídos experimentalmente. Os eixos desse tipo aparecem naturalmente em modelos que combinam interações no Modelo Padrão. Eles também aparecem na teoria das cordas.
Calculamos que os axions deveriam ter sido produzidos em abundância durante os primeiros momentos do Big Bang. Se axions existem, então o fluido axion preenche o Universo. A origem do fluido axion mais ou menos se assemelha à origem do famoso fundo cósmico de microondas, mas há três diferenças principais entre os dois. Primeiro, o fundo de micro-ondas é observado e o fluido do áxion permanece puramente hipotético. Em segundo lugar, como os axions têm massa, seu fluido afeta a densidade de massa geral do universo. Basicamente, calculamos que a massa deles deve corresponder aproximadamente à massa que os astrônomos determinaram por trás da matéria escura! Terceiro, como os axions interagem tão fracamente, eles deveriam ser mais difíceis de observar do que os fótons CMB.
A busca experimental por axions continua em várias frentes. Dois dos experimentos mais promissores visam encontrar fluido de axion. Um deles, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), usa antenas super-sensíveis especiais para converter axions de fundo em pulsos eletromagnéticos. Outro, CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), procura pequenas flutuações no movimento dos spins nucleares que podem ser causadas pelo fluido do axion. Além disso, esses experimentos sofisticados prometem cobrir quase toda a gama de massas de axion possíveis.
Os axions existem? Não sabemos ainda. Sua existência traria uma conclusão dramática e satisfatória para a história da flecha reversível do tempo e talvez também resolvesse o mistério da matéria escura na barganha. O jogo começou.
Frank Wilczek, baseado na Quanta Magazine
