O caso dos neutrinos mais velozes que a luz

A essa altura, a maioria dos leitores já ouviu falar da suposta descoberta de partículas mais velozes que a luz, em um laboratório em Gran Sasso, na Itália, há pouco mais de uma semana. São neutrinos, partículas centenas de milhares de vezes mais leves que um elétron e que interagem muito fracamente com a matéria. A velocidade determinada pela Colaboração OPERA com os enormes detetores da figura ao lado foi de apenas 0,00248% acima da velocidade da luz. No entanto, a precisão do experimento foi grande e esse resultado parece contradizer frontalmente a teoria da relatividade especial.

Vários desdobramentos aconteceram nesta última semana. A maior parte dos cientistas está cética, mas as reações variam muito. A essa altura, muita gente já conhece sua reação por meio de entrevistas e matérias de jornais. Mas outra coisa é ver o que dizem em suas publicações científicas. O blog do ArXiv publicou no sábado uma lista de nove artigos que representam o que a comunidade científica anda pensando de tudo isso. Abaixo, falo um pouco sobre eles, mas este post no blog A Física se Move dá muito mais detalhes.

Basicamente, há três tipos de interpretação para os resultados:

a) A anomalia é devida a algum erro dos autores;
b) A anomalia é real e indica uma violação da teoria da relatividade especial;
c) A anomalia é real, os neutrinos viajam mais rapidamente que a luz, mas a teoria da relatividade não é violada (sim, isso é possível).

Além disso, há os cientistas que preferem esperar que outros grupos verifiquem se conseguem reproduzir os dados - como é o caso dos próprios autores, como declararam no seu artigo.

Por que não crêem os que não crêem - Sendon Glashow, prêmio Nobel de física de 1979, é um dos céticos da categoria (a). "Refutamos a interpretação superluminal dos resultados do OPERA", disparou no resumo do seu artigo, escrito junto com Andrew G. Cohen. Seu argumento é que, pelos seus cálculos, os neutrinos perderiam energia pelo caminho, que seria convertida em matéria por meio da produção de elétrons e pósitrons, e eles não poderiam de forma alguma alcançar o detector do OPERA com velocidade acima da luz, vindos de onde foram produzidos, no CERN, em Genebra, a 730 km de distância.

As tentativas de explicação variam enormemente pela lista do ArXiv. Susan Gardner, da Universidade do Kentucky, nos EUA, acha que o pessoal do OPERA foi ludibriado por efeitos cosmológicos devidos à matéria escura. Carlo Contaldi, do Imperial College de Londres, também acha que eles se enganaram, e o vilão teria sido a interpretação do conceito de simultaneidade adotada - o tempo se comporta de forma bem diferente do que estamos acostumados no cotidiano pode nos pregar peças. Há quem ache que o grupo foi vítima de meras interpretações estatísticas equivocadas, como Robert Alicki, da Universidade de Gdánsk, na Polônia. É que os dados, colhidos durante três anos a fio, são em número imenso e devem sofrer análise estatística, uma tarefa melindrosa e cheia de sutilezas conceituais.

Convivência difícil, mas possível - O problema em supor enganos dessas espécies é que os cientistas do OPERA parecem ter feito um excelente trabalho. No entanto, a teoria da relatividade também vem fazendo um trabalho espetacular - suas previsões vêm sendo confirmada por inúmeros experimenetos já faz quase um século. Assim, há cientistas que apostam que tanto os resultados quanto a relatividade estão corretos. Isso é possível, mas há um preço conceitual nada baixo a se pagar.

Por exemplo, Steven Gubser, da Universidade de Princeton, nos EUA, pretende resolver o paradoxo por meio de dimensões espaciais a mais além das três a que conseguimos perceber. O neutrino teria viajado por dimensões extras, produzindo a ilusão de uma velocidade muito grande. Já Alex Kehagias, da Universidade de Atenas, imagina que a Terra produza um campo de forças ainda desconhecido, além do conhecido campo gravitacional e do seu campo magnético. Surpreendentemente, ele conseguiu escrever a fórmula de um campo que consegue ao mesmo tempo ser compatível com a relatividade e produzir neutrinos mais rápidos que a luz.

Ao fim e ao cabo, a conclusão é a mesma que os próprios autores advertiram desde o primeiro momento: uma conclusão precisa terá que esperar que outros grupos de pesquisa verifiquem se conseguem reproduzir os resultados do OPERA. Isso pode levar uns anos. Enquanto isso, podemos especular à vontade: já há teóricos dando os primeiros passos para construir uma teoria alternativa à relatividade especial. Um dos artigos da lista do blog do ArXiv é justamente sobre isso.

Elegância científica: a estética das teorias físicas

Muito entusiasmo existe ao redor da teoria das supercordas, que pretende unificar a mecânica quântica e a relatividade geral, duas teorias em que a física atual está inconciliavelmente cindida. A coisa interessante é que essa teoria unificadora não foi feita a partir de dados experimentais novos, como geralmente acontece. É um construto teórico puro. Então por que seus entusiastas têm tanta convicção de que ela esteja correta? Por que acham que ela sobreviverá quando for possível testá-la com experimentos?

O motivo está no conceito de elegância de teorias físicas. Certas teorias e demonstrações matemáticas contêm um tipo específico de beleza capaz de extasiar um espírito que as saiba contemplar. E modelos científicos que não partilham dos elementos dessa peculiar estética chegam a ser desprezados pelos cientistas (apesar de o argumento último ser sempre a concordância com os resultados de experimentos).

Não é o mesmo tipo de beleza visual que encontramos, digamos, em uma paisagem natural. Mas pode ter algo em comum com a "beleza conceitual" de uma obra de arte abstrata, ou com o prazer intelectual que um expert em pintura ou em música pode sentir ao perceber os artifícios que o autor usou com maestria para chegar àquele resultado.

No entanto, há na elegância na física também uma dimensão prática que permite aos cientistas usarem-na para selecionar suas teorias. O conceito foi popularizado entre os leigos pelo livro de Brian Greene, "O Universo elegante". Vou tentar transmitir ao leitor uma percepção do que seja isso por meio do exemplo da teoria da relatividade especial, feita por Einstein em 1905.


A elegância absoluta da relatividade especial

A teoria da relatividade especial é aquela do E = mc², a equação que exprime a equivalência entre matéria e energia. Note que é uma equação bem compacta. Primeiro, vamos apreciar a disparidade entre a simplicidade dessa equação e a quantidade de conceitos que ela embute.

A equivalência entre massa e energia por si só já é uma consequência surpreendente da relatividade. A equação implica em que energia tem inércia e também peso. E também que matéria pode ser transformada em energia e vice-versa. Tudo isso sintetizado em três letrinhas e um número. Esse tipo de grande poder de síntese é um elemento importante na estética das teorias físicas.

Além disso, com ela pode-se explicar vários fenômenos aparentemente distintos. Com a relatividade, mostrou-se que os princípios físicos que explicam a fonte de energia que mantém as estrelas e o Sol brilhando por bilhões de anos são os mesmos que governam o fenômeno da radioatividade, que são os mesmos que governam os reatores de usinas nucleares.

Há mais. Uma teoria possui algumas premissas, a partir das quais se demonstra o restante. Teorias elegantes possuem premissas simples e ao mesmo tempo profícuas. Teorias "feias" introduzem premissas ex-machina a todo instante para poderem salvar-se (em geral, estas são descartadas). Bem, as premissas da relatividade especial são extraordinariamente simples:

• As leis da física independem da velocidade do observador
• A velocidade da luz no vácuo é sempre a mesma para qualquer observador

A primeira parece óbvia; a segunda é bem menos intuitiva. Mas o importante aqui é que é possível extrair todo o conteúdo da relatividade especial daí, tais como a própria equação E = mc² e a relatividade do tempo (observadores diferentes vêem o fluxo do tempo passar diferentemente). No caso das supercordas, uma de suas características mais elegantes é que existência da força da gravidade não precisa ser postulada, ela emerge naturalmente de seu formalismo matemático.

A relatividade especial possui também uma incrível elegância matemática: é possível fazer tudo isso - extrair todas essas consequências daquelas premissas simples - com cálculos curtos com apenas a matemática do ensino médio! Quando eu vi essa demonstração pela primeira vez, tanta coisa emergindo de repente de tão pouco, tive uma de meus mais inesquecíveis momentos de prazer estético-intelectual.

Não que a matemática de uma teoria elegante tenha que ser tão básica: em geral, é bastante sofisticada, mas, se for possível escrevê-la de forma simples e que proporcione demonstrações poderosas e diretas, isso já é mais que suficiente.

Finalmente, a relatividade possuía um enorme poder preditivo. Quando foi formulada, nenhum desses fenômenos - inércia e peso da energia, relatividade do tempo, possibilidade de transformar energia em matéria - nada disso era conhecido. Todos foram previstos. Uma teoria elegante é capaz de prever muitos fenômenos diferentes novos.

No entanto, é importante lembrar que a teoria da relatividade não é considerada correta porque é elegante, mas sim porque suas previsões concordam com as observações feitas em laboratório. Esse é (ou deveria ser) o tira-teima definitivo de uma teoria física.

O poder do zero: experimentos que não encontram nada podem nos ensinar muito

Quando físicos encontram algo diferente em seus experimentos, pode dar notícia de jornal. Quando não encontram nada, bem... Também pode! Esta postagem do Igor Zolnerkevic no seu blog Universo Físico dá três exemplos recentes, um dos quais mereceu até menção no New York Times.

Resultados nulos podem causar revoluções - O caso mais famoso de resultado nulo para um experimento talvez seja o da experiência de Michelson-Morley, na década de 1880, que produziu nada menos que uma das principais bases empíricas da teoria da relatividade. Acreditava-se então que a luz era uma onda que se propagava em um meio material a que chamavam éter e que permearia todo o espaço em todos os seus interstícios. O experimento procurou detectar qual a velocidade da Terra em relação ao éter. O pano de fundo era uma incompatibilidade aparentemente insolúvel entre a mecânica e o eletromagnetismo. Um dos dois tinha que estar errado.

Para medir a velocidade da Terra em relação ao éter, observaram diferenças na velocidade da luz vindas de diferentes direções. Se a velocidade fosse maior numa direção, é que a Terra estaria se deslocando para lá - assim como a velocidade de um carro na estrada é maior em relação aos automóveis que vêm em sentido contrário. Mas... não encontraram diferença alguma para qualquer direção! Como poderia ser isso? Após excluírem algumas possibilidades, o resultado sustentou o "vencedor" para a queda-de-braço entre mecânica e eletromagnetismo: este último estava certo e a velha mecânica newtoniana teve que ser alterada, sendo substituída pela relatividade quando velocidades são muito grandes, próximas à da luz.

Claro que resultados nulos que desafiem teorias vigenetes podem ser apenas uma ilusão, um erro de experimento, uma coincidência. O terceiro exemplo do texto do Universo Físico trata disso, na área da astrofísica. O contrário também pode ser verdadeiro: achados extraordinários podem revelar-se, após uma análise mais cuidadosa, serem apenas variações estatísticas normais sem maiores significados. Disso trata o primeiro exemplo, sobre aparentes indícios de uma força física desconhecida. Ambas precisam de mais investigações para se tornarem conclusivas.

Para evitar essas armadilhas, foram desenvolvidas técnicas estatísticas sofisticadas de análise dos dados e também a necessidade de posturas muito cuidadosas. Não poucos cientistas que se entusiasmaram demais antes do tempo tiveram que aceitar calados um desmonte fulminante de suas esperanças. Isso pode ter acontecido recentemente na área da cosmologia com um dos maiores físicos da atualidade, Roger Penrose (vide os dois últimos parágrafos deste post). Outra controvérsia do tipo, sobre o efeito do acesso livre a artigos científicos sobre o número de citações dos mesmos, é comentada nos dois últimos parágrafos da primeira seção desta outra postagem. Mesmo nesses casos, os resultados aparentemente nulos nos ensinam sobre como aperfeiçoar os métodos científicos.

Resultados nulos podem aumentar o conhecimento - Resultados nulos podem também, paradoxalmente, nos fornecer informações a mais. Desse tipo é o segundo exemplo comentado no texto do Universo Físico, sobre a matéria escura. Já em outra postagem no Ciências e Adjacências, no final do texto, falo sobre um experimento para detectar os bósons de Higgs, partículas previstas pelo modelo teórico atual mas ainda nunca observadas. A teoria não diz qual deva ser sua massa, só sabemos que é grande demais para serem produzidos pelos aparelhos atuais. Pois eis que o dito experimento detectou... nada.

Não significa, porém, que o Higgs não exista. Ao invés, com esse experimento pôde-se prever sua massa de forma mais precisa. Como não se sabe sua massa, são feitos vários experimentos, supondo diferentes valores para ela. Cada vez que o bóson não é encontrado, aprendemos que, se existirem, eles não terão aquela massa procurada. Por exemplo, antes achava-se que a sua massa deveria estar entre 123 e 198 vezes a massa de um próton. O novo experimento conseguiu excluir a faixa entre 160 e 170 "prótons". E assim os resultados nulos vão aumentando nosso conhecimento que a teoria não é capaz de fornecer - pelo menos, o "conhecimento hipotético". Vai-se "fechando o cerco" ao bóson de Higgs.

P.S. - Os resultados nulos ou "negativos" de experimentos são tão importantes que o Roberto Takata me enviou os links de três periódicos científicos inteiramente dedicados a resultados negativos em Biologia e Ciências da Saúde:

• Journal of Negative Results in Biomedicine
• Journal of Negative Results (Ecology & Evolutionary Biology)
• Journal of Pharmaceutical Negative Results

Fique por dentro da física moderna

Várias pessoas curiosas a respeito da mecânica quântica já me pediram sugestões de livros acessíveis a leigos. Para quem vê o assunto pela primeira vez, costumo indicar o de John Gribbin, "Fique por dentro da física moderna", editora Cosac & Naify (2001).

Não foi fácil escolher. Em geral as obras de divulgação sobre quântica e relatividade ou são demasiadamente complexas - por mais que seus autores não achem - ou são simples mas contém imprecisões demais - em geral, na forma de metáforas mal formuladas. De fato, a simplificação tende a prejudicar a precisão, e o excesso de precisão pode impedir a inteligibilidade.

No início, eu simplesmente não tinha opções que me pareciam satisfatórias para sugerir. Até descobrir esse livrinho. Creio que o astrofísico e divulgador científico britânico John Gribbin achou, em suas obras, um jeito de explicar a física de forma extremamente acessível e ao mesmo tempo suficientemente precisa, que atingiu seu ápice neste volume.

Esse livro não e só sobre mecânica quântica: cobre também as teorias da relatividade, a cosmologia e a física das partículas e tem uma introdução sobre a física clássica (pré-relatividade e pré-quântica), necessária para se compreender o que veio a seguir. A preocupação é em explicar os conceitos. Um ponto fraco está justamente em falar muito pouco sobre as bases experimentais das teorias.

A acessibilidade não vem só do estilo do texto, mas também do formato. Cada par de páginas é quase autocontido, com um conjunto de pequenos textos e boxes com explicações adicionais, palavras-chave ou pequenas biografias dos cientistas envolvidos. O leitor pode seguir o livro da primeira à última ou deliciar-se folheando-o e se detendo no que lhe der mais prazer. Eu sugiro ambas simultaneamente: uma leitura sequencial ao mesmo tempo em que o leitor explora as páginas do resto do livro, totalmente à mercê de sua própria curiosidade.

Big-Bangs e Multiversos no laboratório

Investigar dentro do laboratório eventos cósmicos como o Big-Bang, buracos negros ou mesmo a criação de múltiplos universos, ou então estudar a natureza do tempo. É o que pode ser feito com os chamados metamateriais. São materiais dentro dos quais a luz caminha variando forte e ricamente sua velocidade e sua trajetória.

Que a luz pode ser desviada de um caminho reto é algo fácil de se ver. Ela muda de direção quando passa do ar para o vidro e vice-versa - por isso, vemos os objetos aumentados nas lentes. Também acontece quando passa da água para o ar. Mas, nos metamateriais, esse efeito é muito mais rico. É possível projetar novos materiais com diferentes propriedades ópticas de modo a obrigar a luz a fazer quase literalmente o que se queira. Existem até pesquisas sobre "mantos da invisibilidade" com isso.

A coisa interessante é que as equações que descrevem o comportamento da luz nesses materiais possuem analogias com as equações da relatividade geral, que descreve o comportamento do espaço e do tempo em larga escala. É com essa teoria que se estuda buracos negros, o Big-Bang etc. Com essa analogia, pode-se simular em um laboratório diversos fenômenos que a relatividade pode descrever.

Uma sequência de textos do blog do ArXiv (em inglês) tem divulgado algumas pesquisas nessa área. Em agosto de 2009, o grupo de Igor Smolyaninov, nos EUA, mostrou a possibilidade de se criar um análogo do Big-Bang num metamaterial. Não é que o metamaterial exploda ou coisa assim, ele simplesmente sofre uma transição de fase - algo muito semelhante às mudanças de estado físico tipo sólido para líquido, líquido para gasoso etc. - e as equações que descrevem o comportamento da luz que passa no material durante essa transição possuem semelhanças "formais" com as que descrevem o Big-Bang.


Como assim...?

Grosso modo, semelhança "formal" significa que as variáveis usadas para descrever como a luz se comporta no metamaterial (velocidade da luz, frequência da onda da luz etc.) não são da mesma natureza que as que usamos para descrever o comportamento da matéria no momento do Big-Bang (posição, instante do tempo, massa etc.) - mas, apesar disso, do ponto de vista matemático, possuem o mesmo comportamento. Ou seja, os valores desses dois conjuntos de variáveis variam de forma semelhante durante os fenômenos estudados, o que é diferente é apenas a interpretação do que as variáveis representam fisicamente. De um lado, velocidade e frequência da luz num metamaterial; do outro, posição e massa de partículas materiais no espaço-tempo.

Com essas relações entre variáveis de diferentes naturezas, é possível simular o comportamento das mais diversas entidades físicas - até mesmo o tempo. E até mesmo simular diferentes números de dimensões de espaço e de tempo.

Em setembro do mesmo ano de 2009, dois pesquisadores chineses, Qiang Cheng e Tie Jun Cui, conseguiram criar no laboratório - não só demonstrar que é possível - o análogo de um buraco negro num metamaterial. Em maio do ano seguinte, Smolyaninov voltou à cena novamente e mostrou a possibilidade de construir metamateriais que simulam a criação de um espantoso multiverso, um conjunto de vários universos vizinhos, cada um com diferentes números de dimensões de espaço e de tempo. Agora em abril deste ano, ele conseguiu ir além e construir algo: simulou num metamaterial feito de acrílico e ouro certas características do comportamento do tempo e se é possível construir uma máquina do tempo (segundo o autor, sua teoria diz que não).

Claro que nada disso substitui a pesquisa mais direta com a cosmologia, com telescópios e detectores de radiação cósmica, mas o segredo para se ter ideias e levantar novas questões é olhar o mesmo fenômeno de ângulos diferentes. É o que Smolyaninov, Cheng, Chi e outros estão fazendo.