Simetria e as 4 forças da natureza

Einstein afirmava que a teoria que ele elaborou, a relatividade, era tão bonita que tinha de ser verdadeira. A rigor, numa primeira análise, nada na física diz que uma teoria tem que ser bela: ela tem que ser prática, ou seja, ser capaz de prever eventos, casos práticos. Porém, numa análise mais liberta, podemos afirmar que, em certo sentido, a física requer um componente fundamental da beleza: a harmonia.

Uma teoria só cria bases sólidas na ciência se não for conflitante, se não apresentar conflitos, contradições. Nas palavras de Brian Geene:

“Mas é bem verdade que algumas decisões dos físicos teóricos baseiam-se no sentido da estética - a sensação de que as estruturas teóricas têm uma elegância e uma beleza naturais, que condizem com o que vemos no mundo físico.”

Talvez por isso este físico tenha denominado um dos seus mais conhecidos livros por O Universo Elegante.

A estética, para ser harmoniosa, tem um vínculo quase sempre indissolúvel com a simetria. Para simplificar, vamos fazer uma analogia com a simetria (geométrica) presente no cotidiano. Dizemos que um objeto é absolutamente simétrico quando apresenta a mesma aparência seja qual for o ângulo que é observado: uma esfera de cor única tem igual aparência mesmo que a giremos em um grau arbitrário e num sentido qualquer; um cubo requer ângulos determinados (90º) e sentido precisos (paralelo a alguma das faces) para manter o mesmo aspecto após um giro. Na física, a simetria é algo que guarda equivalência com este conceito.

Nas sociedades, em lugares e tempos diferentes, as leias que as regem mudam, adaptam-se (portanto, rompem uma simetria). No universo físico parece ser diferente. A experiência científica tem apontado para a ausência de mudanças nas leis que regem o cosmo. Não se pode provar isso, mas todas as nossas experiências apontam para esta direção.

Esta invariância das leis naturais no tempo e espaço é denominada pelos cientistas por simetria da natureza. Apoiando-se no conceito intuitivo de simetria apresentado, isso significa que de qualquer ponto do espaço e do tempo que as leis da natureza são observadas, elas são iguais. Não é belo?

Nas condições que imperavam no início do universo, em uma temperatura de trilhões de graus Kelvin, dentro do escopo de uma Teoria Sobre Tudo, uma única força imperava no universo. A medida que o universo esfriava, enquanto expandia-se, aconteceu a quebra de simetria. Em poucas palavras, houve mudanças na forma de se ver (perceber) esta força: ela, portanto, perdeu sua simetria.

As pesquisas atuais levam à conclusão da existência de quatro forças na natureza. Duas delas são muito familiares no cotidiano diário: a gravidade e a eletromagnética. A gravidade é a força que atrais os corpos que possuem massa: mantem as pessoas no nosso planeta, a Terra em órbita em torno do Sol e as estrelas se agrupando em galáxias, dentre outras coisas. A força eletromagnética é responsável pela luz que brilha em nossas cidades, pela atração dos imãs, pelos relâmpagos, por manter os elétrons ligados ao núcleo atômico e outros feitos de conhecimento também público.

As outras duas são quase desconhecidas fora do meio dos físicos: força forte e força fraca. A razão é bastante simples para esta ignorância: são forças subatômicas, ou seja, atuam em escalas menores que as do átomo. Seus efeitos estão diretamente ligados à estrutura do núcleo atômico.

A força forte une os quarks, formando assim prótons e neutros. Além disso, é esta força que mantém prótons e nêutrons ligados no pequeno espaço que forma o núcleo dos átomos. Já a força fraca tem como efeito conhecido a desintegração radioativa que acorre em determinados elementos, como o césio por exemplo.

As 04 forças

Ou seja, de uma só força inicial, antes do primeiro segundo de existência do universo físico, paulatinamente, esta foi desdobrando-se (perdendo sua simetria) em duas, depois três e, finalmente, nas quatro que conhecemos hoje. Se isto vier a ser confirmado dentro de uma estrutura teórica e com resultados práticos experimentais, teremos a tão almejada Teoria Sobre Tudo.

Uma particularidade: a simetria associada às três forças não gravitacionais é denominada de simetria de calibre. Esta simetria aponta para a interação entre quarks de cores [1] iguais como idênticas entre si. Ou seja, quarks verdes interagem com quarks verdes da mesma forma que quarks vermelhos interagem com entre si. Além disso, a interação de quarks de cores diferentes são iguais (azul com verde é igual à interação de vermelho com azul).

[1] As cores dos quarks são rótulos, não devem ser associados ao aspecto visual.