As 42 maiores perguntas sobre a vida, o universo e tudo mais – Parte 1

Em uma homenagem ao “Guia do Mochileiro das Galáxias”, dois físicos explicam os maiores mistérios da ciência. 

Em O Guia do Mochileiro das Galáxias, a clássica viagem de Douglas Adams pelo universo, um supercomputador chamado Pensador Profundo descobre a resposta para a “Pergunta Fundamental sobre a Vida, o Universo e Tudo mais” depois de pensar sobre a questão por 7 milhões de anos. A resposta, no fim das contas, é “42”, mas Adams nunca revela qual é a “pergunta fundamental”.

Em um artigo recente publicado no arXiv, os físicos Roland Allen e Suzy Lidstrom, da Texas A&M e da Universidade de Uppsala, respectivamente, abordaram a questão sobre a pergunta descrevendo o que eles acreditam ser as 42 perguntas fundamentais da vida, do universo e tudo mais.

Em relação à misteriosa resposta do Pensamento Profundo, Allen e Lidstrom escrevem que “entendem que existem 42 questões fundamentais que devem ser respondidas no caminho para a plena iluminação”. O artigo resultante tem mais de 50 páginas, mas é uma ótima introdução para algumas das maiores questões da ciência – pelo menos de acordo com esses dois físicos.

Embora seja uma lista subjetiva, vale a pena ler o artigo na íntegra. Por uma questão de tempo,  as 42 perguntas de Allen e Lidstrom foram esboçadas abaixo como uma “tempestade de tweets“, limitando as explicações a 280 caracteres ou menos.

1. Por que a física convencional prevê uma constante cosmológica que é grande demais?

A constante cosmológica foi teorizada pela primeira vez por Einstein e descreve a densidade de energia do universo. O problema é que as observações astronômicas sugerem que a constante cosmológica é muito menor do que a prevista pela física.

2. O que é energia escura?
Em 1998, os cosmologistas ficaram surpresos ao descobrir que a expansão do universo estava se acelerando. Essa observação surpreendente foi atribuída à “energia escura”, uma força misteriosa que parece constituir mais de dois terços do universo, mas ainda não foi convincentemente explicada.

3. Como a gravidade de Einstein pode ser reconciliada com a mecânica quântica?
Einstein percebeu que a gravidade, como tudo o mais na natureza, deveria ser capaz de ser descrita em termos de mecânica quântica. No entanto, as tentativas de conciliar a mecânica quântica e a gravidade se desfazem quando há gravidade extremamente forte, como em torno de buracos negros.

4. Qual é a Origem da Entropia e Temperatura dos Buracos Negros?
Apesar do trabalho inovador de Stephen Hawking sobre a radiação dos buracos negros, Allen e Lidstrom observam que “um mistério fundamental é por que a entropia deve ser proporcional à área e não ao volume, como é o caso de outros sistemas físicos” quando se trata de buracos negros.

5. A informação é perdida em um buraco negro?
Acredita-se que a informação esteja codificada na superfície de seu horizonte de eventos e emitida de volta como radiação. No entanto, todos os buracos negros de uma determinada massa irradiam exatamente o mesmo, independentemente da informação no horizonte de eventos. Isso sugere que os buracos negros destroem informações, o que viola a termodinâmica.

6. O Universo Passou por um Período de Inflação?
Acredita-se que o universo tenha se expandido exponencialmente no primeiro segundo de sua existência. As duas grandes questões são: Qual é a origem da inflação e há evidências diretas de inflação?

7. Por que a matéria ainda existe?
Baseado no Modelo Padrão da física de partículas, a matéria e a antimatéria deveriam ter sido completamente aniquiladas no universo primitivo, deixando apenas fótons sobrando. Em vez disso, há uma relativa abundância de matéria e falta de antimatéria.

8. O que é matéria escura?
Observações de galáxias sugerem que cerca de um quarto do universo é composto de matéria escura, mas até agora os físicos não conseguiram detectar uma partícula que possa explicar os efeitos observados. Será um axion, um WIMP ou algo totalmente diferente?

9. Por que as partículas da matéria comum são copiadas duas vezes em energias mais altas?
No Modelo Padrão, há quatro partículas principais de matéria elementar – o quark up, o quark down, o elétron e o neutrino de elétrons. No entanto, existem segundas e terceiras “gerações” (leia-se: cópias) de cada uma dessas partículas, como charm quarks, strange quarks e múons. Por que isso?

10. Qual é a origem das massas de partículas e que tipos de massa os neutrinos têm?
Onde as 4 partículas elementares supracitadas obtêm suas massas? Acredita-se que as massas estão relacionadas com a força de sua interação com seus campos associados (por exemplo, campo de Higgs), mas as anomalias tornam essa simples explicação inadequada.

11. A supersimetria existe? E por que as energias das partículas observadas são tão pequenas comparadas à escala de energia mais fundamentalista (Planck)?
O Modelo Padrão não consegue explicar por que a força nuclear fraca é muito mais forte (10.000.000.000.000.000.000.000.000 vezes) do que a gravidade.

12. Qual é a Grande Teoria Unificada das Forças?
As 3 forças não gravitacionais – fortes, fracas, eletromagnéticas – combinam-se como elementos de uma única força na grande teoria unificada. O modo como essas forças se combinam ainda é um mistério.

13. A relatividade de Einstein e a teoria de campo padrão são sempre válidas?
Simetrias são propriedades de um sistema que permanecem inalteradas quando esse sistema sofre uma transformação. Charge conjuction, parity e time reversal (Conjugação de carga, paridade e reversão de tempo – CPT) é uma simetria que nunca foi violada, mesmo que cada elemento esteja por conta própria. A violação de CPT é possível?

14. Nosso Universo é Estável?
Aspectos do bóson de Higgs sugerem que nosso universo é apenas ̶p̶r̶a̶t̶i̶c̶a̶m̶e̶n̶t̶e̶ ̶i̶n̶o̶f̶e̶n̶s̶i̶v̶o̶ “marginalmente estável”, ou talvez esteja em uma fase de transição para um estado mais estável que resultaria em um universo com propriedades fundamentalmente diferentes. A questão é se o nosso universo é estável ou não agora.

15. Os quarks estão sempre confinados dentro das partículas que eles compõem?
Presume-se que os quarks estejam confinados dentro do volume de seus prótons e necessitam de quantidades relativamente grandes de energia para serem removidos desse espaço. Há evidências crescentes de que os quarks devem sempre ser confinados, mas isso não foi rigorosamente comprovado.

16. Quais são os diagramas de fase completos para sistemas com forças não-triviais, como a força nuclear forte?
Honestamente, não tenho ideia, então aqui está uma captura de tela do estudo:

17. Quais Novas Partículas ainda Devem Ser Descobertas?
Aceleradores de partículas como o Grande Colisor de Hádrons levaram à descoberta de novas partículas. Isso vai continuar acontecendo? É uma questão séria para os físicos em lugares como o CERN.

18. Que Novos Objetos Astrofísicos Estão aguardando serem Descobertos?
Talvez existam novos tipos de estrelas à espera de serem descobertas, tais como estrelas massivas de População 3 formadas durante o universo primitivo e consistindo apenas de hidrogénio e hélio, ou “estrelas escuras” alimentadas por aniquilação da matéria escura em vez de fusão.

19. Que Novas Formas de Supercondutividade e Superfluidez continuam a ser Descobertas?
Nas últimas décadas, os físicos criaram uma série de superfluidos (um fluido sem viscosidade) e supercondutores (materiais sem resistência elétrica), expondo materiais a temperaturas extremas. Quais outros materiais podem demonstrar essas propriedades no futuro?

20. Que Novas Fases Topológicas continuam sendo Descobertas?
Isolantes topológicos são materiais que atuam como um isolante no interior, mas são condutores do lado de fora. Onde mais eles serão encontrados?

21. Quais outras propriedades continuam a ser descobertas em materiais eletrônicos altamente correlacionados?
Os isolantes topológicos anteriormente mencionados foram demonstrados em sistemas de um único elétron ou quasipartículas. Que outros tipos de materiais podem tirar proveito de quasipartículas?

Você pode conferir a segunda parte nesse post.

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