Grande parte do trabalho científico é fazer as perguntas certas. Estas perguntas vão moldando a direção da investigação, enquanto novas descobertas podem redefinir ou até mesmo mudar todas as questões propostas.
Esse processo bem-sucedido existe por mais de 400 anos. Enquanto nos ajudou a desvendar muitos mistérios do universo, algumas grandes perguntas ainda permanecem não respondidas.
Confira quatro que estão atualmente impulsionando os campos da cosmologia e da física de partículas. As duas primeiras já estão sendo abordadas por meio de experimentos em andamento, enquanto as duas últimas são questões fundamentais cuja resolução pode chegar em dias, décadas, séculos ou até mesmo nunca.
Desde a década de 1970, sabemos que existe algo estranho chamado de “matéria escura”. Ela domina não apenas galáxias, mas aglomerados de galáxias, e é mais de 10 vezes mais abundante do que toda a matéria visível no universo.
Mas do que é feita? Sabe-se lá.
Argumentos decorrentes de nossa compreensão da origem de elementos leves no Big Bang implicam que este material não pode ser feito de matéria normal, ou seja, a matéria composta de prótons, nêutrons e elétrons, os blocos de construção de todos os átomos. Se, em vez disso, ela é feita de um tipo de partícula elementar que não interage eletromagneticamente, a matéria escura deve existir como um gás difuso ou partículas permeando galáxias, incluindo a nossa. Como resultado, não está apenas “lá fora”, está “aqui”, passando por você e por mim.
Esta possibilidade proporciona simultaneamente um desafio e uma oportunidade. Sem saber a identidade da matéria escura, as tentativas de detectá-la diretamente exigem alguns palpites sobre o que poderia ser. No entanto, há uma possibilidade de detectá-la diretamente. Tal detecção pode revelar não apenas sua natureza, mas também poderia nos dizer algo fundamental sobre partículas e forças elementares.
Hoje, há duas abordagens diferentes para detectar a matéria escura: detectores subterrâneos profundos, que esperam pegar sinais minúsculos das raras partículas de matéria escura que dispersem de um núcleo e depositem energia atômica; e a abordagem do Grande Colisor de Hádrons, o maior acelerador de partículas do mundo, que pode recriar brevemente as condições do universo jovem, onde estas novas partículas elementares nasceram, produzindo um número suficiente delas a fim de serem detectadas em colisões.
O Grande Colisor de Hádrons, naturalmente, faz mais do que procurar a matéria escura. Por exemplo, já descobriu coisas como o bóson de Higgs. No entanto, cada nova descoberta na física gera mais perguntas. O bóson dá massa a partículas que transmitem a força fraca. Isso determina a natureza da referida força. Mas por que o Higgs existe na escala que existe? Porque a força fraca é muito mais fraca do que, digamos, a força forte, e por que essas forças, incluindo o eletromagnetismo, são muito mais fortes do que a força da gravidade?
Os cientistas esperam que o acelerador lance luz sobre essas questões. E, curiosamente, a matéria escura pode desempenhar um papel nisso também. Talvez a mais interessante explicação possível de por que a força fraca é fraca postula a existência de uma nova simetria na natureza, chamada supersimetria, que prevê todo um novo conjunto de partículas elementares que ainda não foram vistas.
A mais leve destas partículas poderia ser absolutamente estável, e é uma excelente candidata para a matéria escura. Assim, se o colisor descobrir esta partícula, pode não só desvendar o mistério da matéria escura, como também lançar luz sobre supersimetria e unificar todas as forças.
Talvez uma das questões mais fundamentais da física é se nosso universo é único, e se as leis da física são também únicas e fixas. Será que uma pequena mudança em apenas uma das constantes fundamentais faria tudo desmoronar?
Estas questões são bastante inacessíveis. Afinal, só conhecemos nosso universo, de modo que especular sobre outros pode parecer pura metafísica. Isto, obviamente, não impediu tal especulação.
A maioria das extensões do Modelo Padrão da física de partículas sugere que nosso universo não é susceptível de ser único. Talvez a natureza das partículas elementares e campos que observamos pode ser devido ao puro acaso.
O que torna esta questão potencialmente mais interessante é que podemos obter dicas indiretas da existência de outros universos, mesmo que nunca os observemos diretamente. Recentemente, o experimento BICEP2 no Polo Sul alegou detectar ondas gravitacionais do universo jovem. Infelizmente, parece que o sinal foi devido ao ruído de primeiro plano de nossa própria galáxia. No entanto, se experimentos futuros definitivamente detectarem esse sinal, ele poderia fornecer evidências de um processo chamado inflação. Isso, por sua vez, além de explicar muitas características do nosso universo observado em grandes escalas, genericamente cria muitos outros universos. Se pudéssemos medir essas ondas precisamente, poderíamos investigar a possível natureza da inflação e explorar a física que levou à geração de nosso universo observável e possivelmente outros.
Não vamos falar aqui das muitas definições controversas do “nada”. Apenas vamos nos referir a ele como o espaço vazio. Com a notável descoberta recente de que o espaço vazio contém a maior parte da energia do universo, por razões que não entendemos, esse nada ficou mais interessante.
Esta energia está causando a expansão acelerada do universo, e irá determinar o futuro do nosso universo. Há uma série de observações astrofísicas em curso tentado lançar luz sobre o mistério desta “energia escura”, como ficou conhecida, mas neste momento não estamos mais perto de compreender a sua origem do que estávamos quando ela foi descoberta. É verdadeiramente a “energia quântica do vácuo”, ou é associada com algum novo campo invisível que permeia todo o espaço? Ainda, pode ser algo mais exótico.
Sem uma teoria completa da gravidade quântica, talvez fique difícil resolver totalmente este problema, coisa que pode levar séculos. Mas temos que continuar tentando. Nunca se sabe.
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