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O verdadeiro componente fundamental do universo não são as partículas, mas os campos quânticos! — Transcript

by PIPA · 2,612 words · 469 segments · language en · Watch on YouTube

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0:00Imagine a seguinte cena. Primeiro, nós,
0:02o público, vemos um objeto completamente
0:05comum. Por exemplo, um vaso. Pode estar
0:08cheio de mel ou não, tanto faz.
0:10Quando o mágico estala os dedos, a forma
0:12como vemos aquele vaso muda
0:14completamente. Olha só, parece que
0:16aquilo não era um único objeto sólido,
0:19mas um conjunto de pequenas partículas,
0:22um conjunto de átomos.
0:24Demócrito bate palmas, claramente
0:26satisfeito. E tudo muda de forma outra
0:29vez.
0:30Ao que parece, os átomos também não eram
0:32partículas inteiras e indivisíveis.
0:35Existe um núcleo atômico minúsculo e
0:38elétrons giram ao redor dele, mas entre
0:40ambos se estende um espaço imenso.
0:43Rutherford se levanta de repente e
0:45grita: "Bravo!"
0:47Mas quando o mágico estala os dedos mais
0:49uma vez, os elétrons que giravam ao
0:51redor do núcleo deixam de ser pequenos
0:54planetas seguindo órbitas perfeitas.
0:57Niels Bohr abre um sorriso convencido e
0:59acrescenta, cheio de pompa: "Exatamente,
1:02senhores. Os elétrons não seguem órbitas
1:05aleatórias, eles possuem níveis de
1:07energia definidos."
1:09Então, mais uma vez os dedos estalam e
1:12as próprias partículas começam a ficar
1:14borradas.
1:16Já não dá mais para imaginar elétrons
1:18como pequenas bolinhas rolando por um
1:20caminho.
1:21O que vemos diante dos nossos olhos é,
1:23na verdade, uma função de onda, uma
1:26distribuição de probabilidades,
1:28uma nuvem de possibilidades que diz:
1:31"Talvez esteja aqui."
1:33Schrödinger escreve equações mergulhado
1:35em pensamentos. Heisenberg guarda
1:38discretamente sua régua e Max Born
1:40reforça: "Isso não é matéria espalhada,
1:43é a probabilidade de encontrar uma
1:45partícula em determinado lugar."
1:48E finalmente chega o último truque. Até
1:50mesmo o último vestígio de algo parecido
1:53com partículas desaparece. No palco
1:56restam apenas incontáveis campos
1:58quânticos invisíveis e aquilo que
2:00chamamos de partículas nunca passou de
2:03flutuações locais, pequenas ondulações
2:05nesses campos.
2:07De repente, a cortina cai do nada e nela
2:10está escrito em letras enormes: "O mundo
2:12é feito de campos quânticos".
2:15Poxa, pensar que no começo parecia tudo
2:17tão simples e fácil de entender.
2:20Veja só, existia um vaso e talvez até
2:22tivesse mel dentro dele.
2:24Pessoal, sejam bem-vindos ao Pipa.
2:27Então, vamos começar.
2:39A física que se perdeu pelo caminho.
2:42Então, vamos voltar por um instante
2:44àquele auditório onde Demócrito e Bohr
2:46estavam aplaudindo agora há pouco. Eles
2:49tinham uma vida tranquila, não tinham?
2:51Na cabeça deles existia uma imagem
2:53simples. Tudo era feito de partículas.
2:56Essas partículas eram formadas por
2:58partículas ainda menores e lá no fundo
3:01de tudo existia uma base definitiva e
3:04inabalável.
3:05E pronto, a história terminava aí.
3:07Só que dentro dessa visão de mundo que
3:09parecia tão simples e fácil de entender,
3:12os físicos modernos acabaram se perdendo
3:14em três perguntas.
3:16Aqui vai a primeira pergunta.
3:18Por que todos os elétrons que existem no
3:21universo são completamente idênticos?
3:24Eles vão muito além de serem parecidos,
3:27são absolutamente indistinguíveis.
3:30Se você pegasse o elétron que está no
3:32seu dedo, bem, não precisa ser no dedo e
3:35trocasse pelo elétron de uma estrela do
3:37outro lado da galáxia, o universo
3:40simplesmente não perceberia diferença
3:42nenhuma.
3:43Se isso tudo fosse apenas feito de
3:45partículas, por que todas as partículas
3:48do universo inteiro parecem ter sido
3:50produzidas a partir do mesmo molde, com
3:52infinitas casas decimais de precisão.
3:55Afinal,
3:56quem estaria fabricando tudo isso em
3:58massa?
3:59Agora vem a segunda pergunta.
4:01No Grande Colisor de Hádrons, quando
4:03dois prótons colidem, centenas de
4:06partículas que antes não estavam ali
4:08surgem do ponto de colisão.
4:10De onde elas aparecem?
4:12Não é como se as partículas simplesmente
4:14se dividissem e aumentassem em número
4:16sozinhas.
4:17E aqui está a terceira pergunta.
4:20Imagine retirar toda a matéria e toda
4:23forma de radiação de uma caixa e
4:25resfriá-la até o zero absoluto.
4:28Mesmo assim, algo continua sobrando lá
4:30dentro.
4:31O vácuo não está vazio.
4:34Ele literalmente está fervilhando.
4:36E não se trata de uma metáfora, como se
4:38o vácuo estivesse fervendo de raiva por
4:41ser chamado de vazio. É algo real,
4:44físico,
4:45como mingau fervendo dentro de uma
4:47panela.
4:48Se tiramos tudo dali,
4:50por que ainda existe alguma coisa? Para
4:53responder essas três perguntas, os
4:54físicos precisaram fazer exatamente a
4:57mesma coisa que aquele mágico divino
5:00fez.
5:01Estalar os dedos e fazer as partículas
5:04desaparecerem por completo.
5:07O mundo como uma membrana.
5:10Para entender o que os físicos colocaram
5:12no lugar das partículas, primeiro
5:14precisamos entender uma palavra.
5:16Campo. É uma palavra que vocês já
5:18ouviram antes, não é?
5:20Na escola, provavelmente ouviram isso
5:22quando o professor colocou uma folha
5:24sobre um ímã e espalhou limalha de ferro
5:26por cima.
5:27A limalha se organizava em arcos bonitos
5:30e o professor explicava: "Esta é a forma
5:33do campo magnético". Naquele momento,
5:36muitos de nós não estávamos pensando em
5:37física nenhuma. Estávamos pensando em
5:40outra coisa qualquer e isso foi uma
5:42pena.
5:43Porque aquele desenho feito pela limalha
5:44talvez seja uma das imagens mais
5:46importantes de toda a história da
5:48física, seja no século XIX, XX ou XXI.
5:53Agora eu vou explicar por quê.
5:55Resumindo, o que é um campo? Imaginem
5:58que vocês estão dentro de um quarto
6:00medindo a temperatura em diferentes
6:02pontos.
6:03Perto da janela está frio, perto do teto
6:06está quente. Esse mapa de temperaturas
6:09espalhado pelo quarto inteiro é
6:10basicamente o que chamamos de campo de
6:13temperatura. Da mesma forma, existem
6:16campos magnéticos, campos elétricos,
6:18campos gravitacionais e muitos outros. E
6:21aqui está o ponto importante. Um campo
6:23continua existindo mesmo quando nada
6:26parece estar acontecendo naquele
6:28momento. Mesmo sem uma bússola na mão, o
6:31campo magnético da Terra continua lá. Só
6:34não existe nada naquele instante
6:35mostrando isso para você. Os campos
6:38estão sempre presentes. Eles são como o
6:41pano de fundo sobre o qual o palco da
6:43realidade se desenrola.
6:45Ou melhor, talvez nem seja exatamente um
6:48pano de fundo, mas vamos deixar essa
6:50parte para daqui a pouco. Agora expandam
6:53ainda mais essa imagem. Imaginem uma
6:55membrana transparente e extremamente
6:58fina esticada por todo o espaço,
7:01cobrindo tudo desde a ponta do seu nariz
7:04até a galáxia mais distante já observada
7:07pelo telescópio espacial James Webb.
7:10Essa membrana está em todos os lugares.
7:12Debaixo da sua mesa também. No espaço
7:15entre uma galáxia e outra. Até mesmo
7:18dentro de buracos negros.
7:20Até dentro do café que talvez você
7:22esteja tomando agora.
7:24Literalmente, ela está em toda parte. O
7:27que aconteceria se você tocasse essa
7:29membrana com o dedo? Isso mesmo, ondas
7:32se espalhariam.
7:33Uma excitação local, pequenas
7:36ondulações.
7:37Essas ondulações se propagam pela
7:39membrana, carregam energia e em
7:41princípio podem ser detectadas.
7:44O resto depende apenas da sensibilidade
7:46dos detectores.
7:48Guardem bem essa imagem na cabeça. Uma
7:50membrana invisível estendida por todo o
7:53universo. Ondas estão correndo sobre
7:55ela.
7:56Daqui a pouco vamos falar mais sobre o
7:58que ela realmente é. E quando isso
8:00acontecer, a imagem de partículas
8:02provavelmente vai desaparecer de vez da
8:04visão de mundo de vocês.
8:07Nós somos ondulações, apenas ondulações.
8:12Então estávamos falando daquela membrana
8:14invisível espalhada por todo o universo,
8:17com ondas correndo sobre ela.
8:19Lembram disso? Ótimo.
8:21Agora vamos finalmente entrar na parte
8:23principal.
8:24A teoria quântica de campos diz o
8:25seguinte: Não existe apenas uma dessas
8:28membranas.
8:29Cada uma delas é responsável por um tipo
8:31diferente de partícula.
8:33Existe o campo do elétron.
8:35Também existem os campos dos quarks. E
8:37cada tipo, quark up, quark down, quark
8:40strange, quark charm e outros, possui
8:43seu próprio campo.
8:45Existe também o campo dos fótons, aquilo
8:48que percebemos como luz.
8:50Há ainda o campo dos glúons. E os
8:52glúons, que são os quanta desse campo,
8:55são partículas mediadoras que funcionam
8:57como uma espécie de cola que mantém os
9:00quarks unidos dentro dos prótons, como
9:02na metáfora do começo. Existe também o
9:05campo de Higgs, atualmente um dos mais
9:07famosos. O bóson associado a ele foi
9:10descoberto no CERN em 2012. E o prêmio
9:13Nobel veio no ano seguinte. No total,
9:16existem cerca de 20 tipos desses campos
9:18fundamentais. E todos eles atravessam
9:21simultaneamente cada ponto do espaço
9:24onde vocês estão agora mesmo. É
9:26literalmente assim. Tudo ao mesmo tempo.
9:29E agora chegamos à parte mais importante
9:31deste vídeo. Partículas são excitações
9:34locais que surgem nesses campos. Ou
9:37seja, pequenos relevos formados sobre a
9:40membrana ou unidades individuais de
9:43vibração. Isso mesmo, elétrons não são
9:46partículas sólidas.
9:47Um elétron é como dar um peteleco no
9:50campo do elétron. É uma pequena onda
9:52local e estável formada sobre essa
9:55membrana espalhada por todo o universo.
9:58E os fótons? Isso mesmo, são o resultado
10:00de mexer no campo dos fótons.
10:03Os quarks também são o resultado de
10:05excitar os campos dos quarks. E assim
10:08por diante. Existe um tipo dessas
10:10excitações para cada tipo de campo.
10:13Aquilo que chamamos de matéria até hoje,
10:16nada mais é do que ondulações. Aliás,
10:19nós também somos essas ondulações. Por
10:22mais estranho que isso pareça, essa
10:24ideia responde às três perguntas que
10:26vimos antes e tira a física desse
10:28labirinto. Por que todos os elétrons do
10:31universo são iguais? Por que eles não
10:34são partículas separadas produzidas na
10:36mesma fábrica? Todos pertencem ao mesmo
10:39campo.
10:40À mesma membrana.
10:42Todos os elétrons do universo são apenas
10:44vibrações dessa membrana.
10:46É natural que pareçam iguais, porque é
10:48exatamente a mesma coisa aparecendo em
10:51lugares diferentes. Perguntar por que
10:53dois elétrons são iguais é como
10:56perguntar por que duas ondas do oceano
10:58são feitas da mesma água. Afinal, é o
11:01mesmo oceano. Então, por que novas
11:04partículas surgem nos aceleradores?
11:06Quando dois prótons colidem a
11:08velocidades próximas à da luz, essa
11:11enorme quantidade de energia é despejada
11:14de uma vez nos campos ao redor. A
11:16energia se espalha pela membrana como
11:18ondulações na superfície da água e em
11:21algum campo surge uma ondulação forte o
11:24suficiente para se transformar em uma
11:26nova partícula. Não são partículas se
11:29multiplicando. Na verdade, os campos
11:31estão constantemente trocando energia
11:34entre si.
11:35Uma perturbação numa membrana provoca
11:37vibrações em outras também. Ou seja, não
11:40existe nada de misterioso aqui. É apenas
11:43conservação de energia funcionando.
11:46Então, por que o vácuo ferve como
11:48mingau?
11:49Porque o vácuo não está vazio. O vácuo
11:52também está preenchido por incontáveis
11:54campos e mesmo quando não existem
11:56grandes excitações, pequenas ondulações
11:59e flutuações continuam existindo o tempo
12:01todo. O princípio da incerteza de
12:04Heisenberg exige isso e nenhum campo
12:06consegue permanecer completamente
12:08parado, nem mesmo em teoria.
12:10Sempre existe uma pequena oscilação.
12:13Essas pequenas flutuações constantes
12:15acontecendo ao mesmo tempo em todos os
12:17campos são justamente aquilo que
12:19chamamos de espaço vazio.
12:22Eu disse antes que a imagem de
12:23partículas iria desmoronar
12:25completamente, não disse? Parabéns.
12:28Ela acabou de desaparecer por completo.
12:32Três fenômenos reais.
12:35Depois de ouvir tudo isso, talvez você
12:37esteja pensando que essa é só mais uma
12:39fantasia típica dos cientistas.
12:41Algo do tipo, até onde o ser humano vai
12:44para justificar salários altos.
12:46Só que existem experimentos em que essas
12:49fantasias aparecem de verdade e eles
12:51realmente abalam a nossa visão de mundo.
12:54O efeito Casimir.
12:56Pegue duas placas metálicas
12:57perfeitamente lisas, coloque-as no vácuo
13:00e aproxime-as cuidadosamente até uma
13:02distância de frações de micrômetro.
13:05E de repente, elas começam a se atrair.
13:08Por quê?
13:09Porque mesmo um espaço vazio que parece
13:12vazio está lotado de fótons virtuais no
13:16nível quântico.
13:17Pequenas flutuações estão sempre
13:19presentes ali.
13:20Quando as placas estão afastadas, o
13:22sistema permanece simétrico e
13:24equilibrado. Mas quando ficam quase
13:26encostando uma na outra, a quantidade de
13:28flutuações entre elas se torna
13:30ligeiramente menor do que do lado de
13:32fora.
13:33E essa diferença minúscula já basta para
13:35gerar uma força que lentamente empurra
13:38as duas placas uma em direção à outra.
13:40Esse efeito já foi medido
13:42experimentalmente na década de 90. Em
13:45outras palavras, o vácuo está empurrando
13:47o metal.
13:48Um espaço vazio está exercendo pressão.
13:52A aniquilação de pares.
13:54Quando um elétron encosta sua
13:55antipartícula, o pósitron, os dois
13:58desaparecem e se transformam em dois
14:01fótons.
14:02Para onde foi o elétron?
14:04Não foi para lugar nenhum.
14:05A excitação presente no campo do elétron
14:07desapareceu, sua energia passou para o
14:10campo dos fótons e continuou existindo
14:12como luz.
14:14Não existem partículas guardadas no
14:16bolso esperando para serem carregadas
14:18por aí.
14:19Como eu expliquei antes, foi apenas
14:21energia sendo transferida de uma
14:23membrana para outra.
14:24E o mais importante de tudo é o campo de
14:27Higgs.
14:28Ele é especial. Diferente dos outros
14:30campos, o campo de Higgs não zera nem
14:32mesmo no estado de vácuo puro.
14:35Ele mantém constantemente um valor
14:36diferente de zero em todo o universo. E
14:39quando outras partículas, como elétrons
14:41e quarks, tentam atravessar esse campo,
14:44acabam interagindo com ele, como se algo
14:47estivesse freando seus movimentos.
14:49Essa resistência é justamente aquilo que
14:51chamamos de massa.
14:53Pense um pouco nisso. Isso significa que
14:56a sua massa, em vez de ser uma
14:58propriedade intrínseca das partículas, é
15:01o resultado direto da interação com um
15:03campo específico espalhado por todo o
15:06universo. Sem o campo de Higgs, os
15:08elétrons não teriam massa e continuariam
15:11viajando na velocidade da luz.
15:13Átomos não poderiam existir
15:15e você também não existiria.
15:18Dá para dizer que a sua massa é como um
15:20pedágio cobrado por existir neste
15:22universo e atravessar o campo de Higgs.
15:25O campo de Higgs fornece 100% da massa
15:28aos próprios elétrons e quarks.
15:31Só que, curiosamente, mesmo somando a
15:33massa de todos os componentes que formam
15:35o seu corpo, isso representa apenas
15:37cerca de 1% da sua massa corporal real.
15:40Os outros 99% vêm da enorme energia de
15:43movimento e de ligação dos quarks e
15:46glúons dentro dos prótons e nêutrons.
15:49Bom, pedágio barato nunca foi algo muito
15:51comum, não é? Aliás, teoricamente existe
15:54a possibilidade de o campo de Higgs
15:56esconder energia suficiente para
15:58provocar uma catástrofe em escala
16:01cósmica. Essa é a hipótese conhecida
16:04como decaimento do falso vácuo. Segundo
16:08essa hipótese, o vácuo atual talvez não
16:11esteja no estado de menor energia e, em
16:13algum momento, uma bolha de vácuo
16:16verdadeiro poderia surgir em algum
16:17lugar, expandir-se à velocidade da luz e
16:21engolir o universo inteiro. Mas isso
16:23continua sendo apenas uma hipótese. E
16:25mesmo que acontecesse, tudo acabaria
16:28antes mesmo de conseguirmos piscar.
16:31As partículas deixam o palco.
16:34Então, vamos resumir tudo o que vimos
16:36até aqui. O universo é um conjunto de
16:38campos que interagem entre si e aquilo
16:41que chamamos de matéria nada mais é do
16:43que padrões estáveis de pequenas
16:45ondulações surgindo nesses campos. Você
16:48não é um saco cheio de partículas, mas
16:51uma configuração extremamente complexa e
16:54estável de vibrações distribuídas entre
16:57muitos campos quânticos,
16:59como o campo dos elétrons, dos quarks,
17:01dos glúons, dos fótons e o campo de
17:04Higgs. A realidade não é um substantivo.
17:07É um verbo. Você não está simplesmente
17:10existindo. Você está vibrando.
17:14Exatamente neste momento. Em cerca de 20
17:17campos ao mesmo tempo. Falando da física
17:20como ciência, o modelo padrão explica
17:22brilhantemente três das quatro
17:24interações fundamentais.
17:26Mas ainda não consegue lidar direito com
17:28a gravidade. Até agora não conseguimos
17:31reescrever a gravidade na linguagem dos
17:33campos quânticos de forma que tudo se
17:35encaixe.
17:36Esse continua sendo um dos maiores
17:38problemas da física. Talvez os próprios
17:40campos ainda não sejam o nível mais
17:42profundo da realidade.
17:44Pode existir algo além deles, cordas,
17:47loops ou alguma coisa ainda maluca que
17:50ainda vamos imaginar no futuro.
17:52Mas existe uma coisa da qual temos
17:54certeza. A velha imagem de pequenas
17:56partículas sólidas já não funciona mais.
17:59A nova visão baseada em campos funciona
18:02muito melhor.
18:03O que existe além disso ainda permanece
18:05desconhecido. Só espero que consigamos
18:07desvendar esse desconhecido em muito
18:09menos tempo do que se passou desde a
18:11época de Demócrito até hoje.
18:13E a parte realmente interessante ainda
18:15está só começando.
18:17Se você gostou deste vídeo, clique em
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18:21Obrigado por assistir.
18:23Então é isso. Até a próxima. Tchau.

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