As 42 maiores questões sobre a vida, o universo e tudo mais

No Guia do Mochileiro das Galáxias, a clássica e irreverente viagem de Douglas Adams pelo universo, um supercomputador chamado Pensador Profundo descobre a resposta para “a vida, o universo e tudo mais”, depois de pensar no tema por sete milhões de anos. No final das contas, a conclusão é “42”, mas Adams nunca revela qual seria a pergunta para esta resposta.

Em um paper publicado recentemente no arXiv, a dupla de físicos Roland Allen e Suzy Lidstrom, da universidades Texas A&M e de Uppsala, respectivamente, abordaram o tema com aquelas que acreditam ser as 42 maiores questões sobre a vida, o universo e tudo mais.

Quanto à resposta misteriosa dada pelo Pensador Profundo, Allen e Lidstrom crêem que “existem 42 perguntas fundamentais a serem respondidas rumo à iluminação total”. O artigo tem mais de 50 páginas, mas trata-se de uma excelente introdução para algumas das questões mais complicadas já propostas pela ciência – ao menos de acordo com estes físicos.

Por mais que se trate de uma lista subjetiva, o paper merece uma lida na íntegra, mas para poupar seu tempo, reuni as 42 perguntas propostas por Allen e Lindstrom na forma de um tuitaço, limitando as explicações a 280 caracteres ou menos.

1. Por que a física convencional prevê uma constante cosmológica tão enorme?

A constante cosmológica foi teorizada pela primeira vez por Einstein e descreve a densidade energética do universo. O problema é que observações astronômicas sugerem que a constante é muito menor do que o previsto por físicos.

2. O que é energia escura?

Em 1998, cosmologistas ficaram embasbacados ao descobrir que a expansão do universo vinha acelerando. Tal observação foi colocada na conta da “energia escura”, uma força misteriosa que aparentemente constitui dois terços do universo, mas que carece ainda de uma explicação convincente.

3. Como reconciliar a gravidade de Einstein com a mecânica quântica?

Einstein notou que a gravidade, como tudo mais na natureza, deveria ser passível de descrição nos termos da mecânica quântica. Ainda assim, tentativas de reconciliar MQ e gravidade caem por terra quando há enorme força gravitacional, como no caso dos buracos negros.

4. Qual a origem da entropia e temperatura dos buracos negros?

Apesar de Stephen Hawking ter avançado quanto à radiação de buracos negros, Allen e Lidstrom comentam que “um mistério fundamental é a razão pela qual entropia deve ser proporcional à área e não ao volume, como ocorrido em outros sistemas físicos” quando se trata de buracos negros.

5. Informações se perdem em um buraco negro?

Pensa-se que a informação é codificada na superfície de seu horizonte de eventos e emitida de volta como radiação. Dito isso, todos os buracos negros de determinada massa irradiam da mesma forma, independente da informação no horizonte de eventos. Isso sugere que buracos negros destroem informações, o que viola as leis da termodinâmica.

6. O universo teve um período de dilatação?

Pensa-se que o universo expandiu exponencialmente nos primeiros segundos de sua existência. As duas grandes questões: qual a origem desta dilatação e há provas diretas da mesma?

7. Por que a matéria ainda existe?

Com base no modelo padrão da física de partículas, matéria e anti-matéria deveriam ter ido pras picas lá no começo do universo, deixando apenas fótons. Em vez disso, temos uma abundância relativa de matéria e uma falta de anti-matéria, como pode?

8. O que é a matéria escura?

Observações de galaxias sugerem que cerca de um quarto do universo é constituído por matéria escura, mas até então os físicos não foram capazes de detectar uma partícula que justifique tais efeitos. Seria um áxion, uma WIMP [partícula maciça de interação fraca] ou alguma outra coisa que não fazemos ideia do que seja?

9. Por que razão as partículas de matéria comum são copiadas duas vezes em energias mais altas?

No modelo padrão, temos quatro partículas elementares de matéria – quark up, quark down, elétron e o neutrino do elétron. Ainda assim, temos segunda e terceira “gerações” (cópias) de cada uma destas partículas na forma de quark charm, quark strange e múons. Por quê?

10. Qual a origem das massas de partículas e que tipo de massa os neutrinos têm?

De onde saem as massas das quatro partículas mencionadas anteriormente? Pensa-se que as massas estão ligadas à força de sua interação com seus campos associados (campo de Higgs, por exemplo), mas há anomalias que fazem desta explicação simples um tanto quanto inadequada.

11. A tal supersimetria existe? Por que as energias de partículas observadas são tão pequenas quando comparadas à mais fundamental escala energética (de Planck)?

O modelo padrão é incapaz de explicar porque a força nuclear fraca é tão mais forte (10.000.000.000.000.000.000.000,000 vezes) que a gravidade.

12. Qual a Grande Teoria Unificada das Forças?

As três forças não-gravitacionais – forte, fraca, eletromagnética – se combinam enquanto elementos de uma única força na grande teoria unificada. Como isso acontece ainda é um mistério.

13. As teorias da relatividade de Einstein e de campo padrão são sempre válidas?

Simetrias são propriedades de um sistema que segue imutável quando este mesmo passa por uma transformação. Conjunção de carga, paridade e inversão de tempo (CPT) é uma simetria que jamais foi violada, por mais que cada elemento tenha sua própria. Seria a violação da CPT possível?

14. Nosso universo é de fato estável?

Certos aspectos do bóson de Higgs sugerem que nosso universo é “marginalmente estável” ou talvez esteja em transição para um estado mais estável que, por sua vez, resultaria em um universo com propriedades fundamentalmente diferentes. O problema é determinar se nosso universo é estável ou não agora.

15. Quarks estão sempre confinados dentro das partículas que compõem?

Presume-se que quarks sempre estejam confinados ao volume de seu próton e exijam quantidades relativamente grandes de energia para serem removidos deste espaço. Há cada vez mais evidências de que quarks devem manter-se confinados, mas nada foi provado definitivamente.

16. Quais os diagramas de fase completas dos sistemas com forças não-triviais como a força nuclear forte?

Não faço a menor ideia, então segue aqui um print do paper:

17. Que partículas ainda faltam ser descobertas?

Aceleradores de partículas como o Grande Colisor de Hádrons levaram à descoberta de novas partículas. Se vem mais por aí? Eis uma pergunta séria pros físicos de locais como o CERN.

18. Que outros novos objetos astrofísicos estão só esperando para serem descobertos?

Talvez tenhamos novas estrelas esperando para serem descobertas por aí, tais como enormes astros do tipo População 3 surgidos no começo do universo, formados por hidrogênio e hélio, ou “estrelas escuras” movidas por aniquilação de matéria escura e não fusão.

19. Que novos tipos de supercondutividade e superfluidez estão esperando serem descobertas?

Nas últimas décadas, físicos criaram diversos superfluidos (fluidos sem viscosidade) e supercondutores (materiais sem resistência elétrica) ao expor os mais variados materiais à temperaturas extremas. Que outros podem demonstrar tais propriedades no futuro?

20. Que novas fases topológicas ainda não foram descobertas?

Isoladores topológicos são materiais que agem como isolamento por dentro e condutores por fora. Onde mais os encontraremos?

21. Que outras propriedades reservam materiais eletrônicos de alta correlação?

Os isoladores topológicos mencionados anteriormente foram demonstrados em sistemas de elétron único ou semipartículas. Que outros materiais poderiam se valer destas semipartículas?

22. Quais os outros estágios e formas da matéria ainda não foram descobertos?

Pesquisadores descobriram uma abundância de novos estágios da matéria nos últimos anos, caso dos semicristais e cristais do tempo. Será que tem mais por aí?

23. Qual o futuro da computação quântica, informação quântica e outras aplicações de entrelaçamento quântico?

A corrida para a criação de um computador quântico de larga escala que poderá superar um computador comum nos mais diversos afazeres, tais como dar cabo da maioria dos tipos de criptografia, segue firme e forte. Mas será que um dia estas aplicações sairão dos laboratórios ou seriam frágeis demais para deixar para terem aplicação real?

24. Qual o futuro da ótica e fotônica quântica?

Uma internet quântica ajudaria a proteger dados de bisbilhoteiros, mas fazê-la funcionar exigira um controle inédito sobre fótons ao longo de grandes distância. O recorde atual de transmissão de fotóns entrelaçados foi definido no ano passado por um satélite chinês. Que outras inovações nos aguardam?

25. Existem dimensões superiores?

Se existem mesmo outras dimensões, como o espaço interno destas se estrutura?

26. Há um multiverso?

Haveriam infinitos universos, cada um regido por suas próprias leis? Seria o caso do nosso ser configurado de forma a gerar vida inteligente, no que é conhecido como princípio antrópico? E mais importante, como provar isso usando a ciência?

27. A geometria do espaço-tempo conta com características exóticas?

Qual o “formato”do universo? Se o universo é estruturado de forma que singularidades nuas, buracos de minhoca, e/ou loops temporais fechados são possíveis, isto possibilitaria viajar para trás no tempo.

28. Como o universo se originou e qual o seu destino?

Por que haveria de fato uma origem do universo e esta teria começado com um bangue? Observar o passado com sorte nos ajudará a compreender nosso futuro e se estamos rumo a mais uma grande ruptura em que toda a matéria será transformada em pedacinhos.

29. Qual a origem do espaço-tempo, por que o espaço-tempo é quadridimensional e por que o tempo é diferente do espaço?

Não sei o que colocar aqui que já não está escrito no cabeçalho, só aconselho dar um peguinha antes de começar a entrar nessas.

30. O que explica a relatividade e gravidade de Einstein?

Teorias unificadas como a do supersimetria e teoria das cordas tendem a presumir que a relatividade geral funciona em vez de explicá-la. Mas será que a teoria da gravidade de Einstein poderia ser derivada da energia do vácuo ou dos campos da teoria das cordas? Em caso negativo, de onde vem a gravidade?

31. Por que todas as forças assumem a forma de Teorias de Calibre?

Todas as forças do modelo padrão – fraca, forte, eletromagnética e gravidade – são descritas por teorias de calibre, que descrevem como partículas elementares se juntam a campos específicos. Ainda assim, por que somente estes tipos de forças existem e por que a matéria só se junta a estes campos fracamente?

32. Por que a natureza é descrita por campos quânticos?

A mecânica quântica pode ser responsabilizada ao apelar a um princípio mais profundo do universo? Tal teoria explicaria por que o universo consiste de campos quânticos e explicaria observações enigmáticas como o colapso de uma função de onda durante a mensuração.

33. A física é consistente do ponto de vista matemático?

Boas teorias são consistentes com experimentos do ponto de vista da matemática. Mesmo assim, certas teorias de campos quânticos simples não se mostraram matematicamente consistentes ainda.

34. Qual a ligação entre o formalismo da física e a realidade da experiência humana?

Se a matemática e a física descrita por esta são de fato criações humanas, devemos levar em consideração a relação entre consciência humana e realidade, bem como questões relacionadas tais como porque existe algo em vez de nada.

35. Quais os limites finais das técnicas teóricas, computacionais, experimentais e observacionais?

Como computadores mais avançados melhorarão nossos modelos ou nos ajudarão a entender alguns de nossos experimentos mais complexos como o Grande Colisor de Hádrons? Ao passo em que nossos telescópios ficam cada vez mais sofisticados, o que revelarão sobre a natureza do universo?

36. Quais os limites finais da química, física aplicada e tecnologia?

Vivemos em uma era de avanço científico e tecnológico sem precedentes. Há um limite maior para tais avanços ou as descobertas apenas acelerarão daqui por diante? A pergunta é extremamente relevante em questões de IA, que busca de fato criar uma máquina superinteligente.

37. O que é a vida?

Tal questionamento foi feito por Erwin Schrodinger em 1944. Passados mais de 70 anos, biólogos ainda buscam a resposta para esta pergunta aparentemente simples.

38. Como a vida na Terra começou?

Teriam moléculas orgânicas surgido de uma sopa primordial nos primeiros dias da Terra ou teriam vindo transportadas do espaço por asteroides (de acordo com a panspermia)? Além do que, como nossos ancestrais monocelulares evoluíram para formas de vida complexas?

39. Quão abundante é a vida no universo?

Robôs em Marte buscam matéria orgânica dentro de nosso próprio sistema solar e astrônomos do SETI varrem as ondas cósmicas, mas não foi encontrada nenhuma evidência de vida – inteligente ou não – em qualquer ponto da galáxia até então. Será possível estarmos sozinhos neste universo?

40. Como a vida soluciona problemas aparentemente impossíveis de serem resolvidos?

Organismos biológicos aparentemente “burros” são capazes de desempenharem tarefas inacreditavelmente complexas tais como dobramento de proteínas ou a habilidade de celular de multiplicar-se e formar estruturas complexas como olhos, corações, cérebros e demais órgãos. Qual que é?

41. Seremos capazes de compreender e curar as doenças que afligem a vida?

A variedade gigantesca de vida biológica, mesmo dentro de uma mesma espécie, dificulta e muito a cura de doenças. Será possível um dia erradicar doenças e morte por completo?

42. O que é a consciência?

Eis uma questão que assombra filósofos há séculos, mas apenas há pouco desenvolvemos a tecnologia para abordar o tema de forma científica. Seria a consciência algo que surge através das interações complexas de bilhões de células? Seria um espectro? Pode ser replicada?

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