Como exploramos perguntas não respondidas na física

James Beacham busca respostas para as mais importantes perguntas não respondidas da física usando o maior experimento científico já construído, o Grande Colisor de Hádron do CERN. Nesta palestra divertida e acessível sobre como a ciência acontece, Beacham nos leva em uma jornada através de dimensões extra-espaciais na busca de partículas fundamentais ainda não descobertas (com uma explicação para os mistérios da gravidade) e detalhes para continuar a exploração.

Existe algo na física

que tem realmente me incomodado
desde que eu era criança.

E está relacionado a uma pergunta

que os cientistas vêm fazendo
há quase 100 anos,

sem achar uma resposta.

Como as menores coisas da natureza,

as partículas do mundo quântico,

estão relacionadas
às maiores coisas da natureza,

planetas, estrelas, galáxias
mantidas juntas pela gravidade?

Quando criança, eu ficava intrigado
com questões como essa.

Eu ficava dando voltas
com microscópios e eletromagnetos,

e lia sobre as forças das pequenas coisas

e sobre mecânica quântica

e me maravilhava com como aquela descrição
coincidia com nossa observação.

Então eu olhava para as estrelas

e lia sobre como entendíamos
bem a gravidade,

e eu tinha certeza que devia
haver uma forma elegante

de esses dois sistemas coincidirem.

Mas não há.

E os livros diziam: "Sim, entendemos muito
sobre esses dois domínios separadamente,

mas quando tentamos
conectá-los matematicamente,

tudo se desfaz.

E por 100 anos

nenhuma das nossas ideias
para solucionar esse desastre físico

foi apoiada por evidências.

E para a criança que eu era,

o pequeno, curioso e cético James,

essa era uma resposta
extremamente não satisfatória.

Então, ainda sou uma criança cética.

Vamos avançar para dezembro de 2015,

quando me vi revolucionando
o mundo da física.

Tudo começou quando vimos algo
intrigante em nossos dados, no CERN:

o indício de uma nova partícula,

uma insinuação de uma possível
e extraordinária resposta a essa questão.

Então ainda sou uma criança cética,

mas agora também sou
um caçador de partículas.

Sou físico no Grande Colisor
de Hádrons do CERN, o LHC,

o maior experimento
científico já construído.

Um túnel de 27 km, na fronteira
entre a França e a Suíça,

100 metros abaixo do solo.

E nesse túnel

usamos ímãs supercondutores
mais frios que o espaço sideral

para acelerar prótons
até quase a velocidade da luz

e fazê-los colidir uns nos outros
milhões de vezes por segundo,

coletando os vestígios dessas colisões

em busca partículas fundamentais
ainda não descobertas.

Seu projeto e construção
consumiu décadas de trabalho

de milhares de físicos de todo o mundo,

e em meados de 2015,

trabalhamos incansavelmente
para conectar o LHC

à maior energia que humanos já usaram
em um experimento de colisão.

Energia máxima é importante

porque, para as partículas,
há uma equivalência

entre a energia e a massa das partículas,

e a massa é só um número
colocado lá pela natureza.

Para descobrir novas partículas,
precisamos atingir números maiores.

Para isso precisamos construir um colisor
de energia maior e mais potente,

e o maior e mais potente colisor do mundo

é o Grande Colisor de Hádrons.

Então colidimos prótons
quadrilhões de vezes

e coletamos esses dados,
lentamente, por vários meses.

Então novas partículas podem aparecer
em nossos dados como saliências,

pequenos desvios do que se espera,

pequenos agrupamentos de pontos de dados
que tornam uma linha tênue não tão tênue.

Por exemplo, esta saliência,

que depois de meses
de coleta de dados em 2012,

levou à descoberta da partícula de Higgs,

o bóson de Higgs,

e a um Prêmio Nobel
pela confirmação da sua existência.

Esta subida brusca de energia em 2015

representou a melhor chance
que já tivemos, como espécie,

de descobrir novas partículas,

novas respostas a questões tão antigas,

porque era quase duas vezes
a quantidade de energia que usamos

quando descobrimos o bóson de Higgs.

Muitos dos meus colegas trabalharam
toda sua carreira por este momento,

e, sinceramente,
para o pequeno e curioso James,

este foi o momento que esperei
por toda minha vida.

Então esse foi o momento!

Em junho de 2015,

o LHC foi acionado novamente.

Meus colegas e eu prendemos
a respiração e roemos as unhas,

e finalmente vimos
a primeira colisão de prótons

à mais alta energia já utilizada.

Aplausos, espumante, comemoração.

Esse foi um marco para a ciência,

e não tínhamos ideia
do que encontraríamos nesses novos dados.

E algumas semanas depois,
encontramos uma saliência.

Não era uma saliência enorme,

mas era grande o suficiente
para franzir a sombrancelha.

Numa escala de um a dez
para sombrancelhas franzidas,

se dez indica a descoberta
de uma nova partícula,

era um franzido de nível quatro.

(Risos)

Passei horas, dias, semanas
em reuniões secretas,

argumentando com meus colegas
sobre essa pequena saliência,

cutucando-a e espetando-a
com nossas varetas experimentais

para ver se resistiria a um escrutínio.

Mas mesmo depois
de meses de trabalho febril,

dormindo no trabalho, sem ir para casa,

jantando barras de chocolate

e tomando baldes de café --

físicos são máquinas
de transformar café em diagramas --

(Risos)

essa pequena saliência não sumiu.

Então depois de alguns meses

apresentamos nossa pequena saliência
ao mundo, com uma mensagem bem clara:

essa pequena saliência
é interessante, mas não é definitiva,

então vamos ficar de olho nela,
enquanto coletamos mais dados.

Estávamos tentando pegar leve com ela.

E ainda assim o mundo se apropriou dela.

Os noticiários amaram.

As pessoas disseram que ela
lembrava a pequena saliência

mostrada durante o processo
de descoberta do bóson de Higgs.

Melhor do que isso, meus colegas teóricos,

amo meus colegas teóricos,

meus colegas teóricos escreveram
500 artigos sobre essa pequena saliência.

(Risos)

Isso revolucionou o mundo
da física das partículas.

Mas o que havia
com essa saliência em especial

que fez com que milhares de físicos
coletivamente saíssem do sério?

Essa pequena saliência era única.

Ela indicava que estávamos vendo
um enorme e inesperado número de colisões,

cujos vestígios consistiam
em apenas dois fótons,

duas partículas de luz.

E isso é raro.

Colisões de partículas não são
como colisões de automóveis.

Elas têm regras diferentes:
quando duas partículas colidem,

quase na velocidade da luz,
o controle passa ao mundo quântico.

E no mundo quântico essas duas partículas
podem criar brevemente uma nova partícula,

que dura uma pequena fração de segundo
antes de se dividir em outras partículas

que atingem nosso detetor.

Imaginem uma colisão de automóvel
na qual os carros somem com o impacto,

uma bicicleta aparece em seu lugar...

(Risos)

e então essa bicicleta explode
em dois skates, que atingem nosso detetor.

(Risos)

Espero que não literalmente.

Eles são muito caros.

Eventos em que apenas dois fótons
atingem nosso detetor são muito raros.

E devido a essa propriedade
quântica especial dos fótons,

há um número muito pequeno
de novas partículas possíveis,

essas bicicletas míticas,

que podem originar apenas dois fótons.

Mas uma dessas opções é enorme,

e tem a ver com aquela antiga questão

que me incomodava quando eu era
uma pequena criança,

sobre a gravidade.

A gravidade pode parecer
superforte para vocês,

mas na verdade ela é incrivelmente fraca,
comparada com outras forças da natureza.

Posso ganhar da gravidade
brevemente, quando pulo,

mas não posso tirar
um próton da minha mão.

A força da gravidade comparada
a outras forças da natureza?

É 10 elevado a menos 39.

É um decimal com 39 zeros
depois da vírgula.

Pior do que isso, todas as outras
forças conhecidas da natureza

são perfeitamente descritas
pelo chamado Modelo Padrão,

que é a melhor descrição que temos
da natureza em pequena escala,

e, francamente, uma das conquistas
de maior sucesso da humanidade;

a não ser pela gravidade,
que não consta no Modelo Padrão.

É uma loucura.

É como se a maior parte
da gravidade estivesse faltando.

Nós sentimos um pouco dela,

mas onde está o resto?

Ninguém sabe.

Mas uma explicação teórica
propõe uma solução selvagem.

Todos nós,

mesmo vocês no fundo,

vivemos em um espaço tridimensional.

Espero que essa colocação
não seja controversa.

(Risos)

Todas as partículas conhecidas também
existem em um espaço tridimensional.

De fato, partícula é só um outro nome

para uma agitação
em um campo tridimensional;

uma oscilação localizada no espaço.

E, mais importante, toda a matemática
usada para descrever essas coisas

assume que só existem três dimensões.

Mas matemática é matemática, podemos
flertar com ela o quanto quisermos.

E as pessoas vêm brincando
com dimensões extras no espaço

há muito tempo, mas esse sempre tem sido
um conceito matemático abstrato.

Quero dizer, olhem ao redor...
você aí no fundo, olhe ao redor...

claramente existem apenas
três dimensões de espaço.

Mas e se isso não for verdade?

E se a gravidade faltante estiver vazando
para uma dimensão extraespacial

invisível para nós?

E se a gravidade for tão forte
quanto as outras forças,

se for vista nessa dimensão extraespacial,

e o que nós experienciamos
é uma pequena parcela da gravidade

que faz ela parecer muito fraca?

Se isso fosse verdade,

teríamos que expandir
nosso Modelo Padrão das partículas

para incluir uma partícula extra,

uma partícula
hiperdimensional de gravidade,

um gráviton especial que existe
em dimensões extraespaciais.

Vejo a expressão nos rostos de vocês.

Vocês deveriam estar me perguntando:

"Como diabos vamos testar
essa ideia maluca de ficção científica,

presos como estamos em três dimensões?"

Da forma que sempre fazemos,
colidindo dois prótons...

(Risos)

Forte o suficiente
para a colisão reverberar

em alguma dimensão extraespacial
que possa estar ali,

criando momentaneamente
esse gráviton hiperdimensional

que depois retorna rapidamente
para as três dimensões do LHC

e libera dois fótons,

duas partículas de luz.

E esse gráviton
extradimensional hipotético

é uma das poucas novas
partículas hipotéticas possíveis

com as propriedades quânticas especiais

que podem originar a nossa pequena
saliência de dois fótons.

Então, a possibilidade de explicar
os mistérios da gravidade

e de descobrir
dimensões extras do espaço...

talvez agora vocês entendam

por que milhares de físicos tenham
ficado coletivamente empolgados

com nossa pequena saliência
de dois fótons.

Uma descoberta desse tipo faria
com que os compêndios fossem reescritos.

Mas lembrem-se, a mensagem
dos experimentalistas que realmente

estavam trabalhando
naquele momento, foi bem clara:

precisamos de mais dados.

Com mais dados,

ou a pequena saliência vai se tornar
um lindo e delicioso Prêmio Nobel...

(Risos)

ou os dados extra irão preencher
o espaço ao redor da saliência

e transformá-la
em uma linha linda e suave.

Então coletamos mais dados,

e muitos meses depois,
com cinco vezes a quantidade de dados,

nossa pequena saliência

se transformou em uma linha suave.

As notícias relataram
um "enorme desapontamento",

"esperanças desvanecidas"
e físicos de partículas "tristes".

Com o tom da cobertura,

vocês pensariam que tínhamos decidido
desligar o LHC e ir pra casa.

(Risos)

Mas não fizemos isso.

Mas por que não?

Quer dizer, se não descobri
uma partícula, e não descobri,

por que estou aqui falando com vocês?

Por que simplesmente não baixo
minha cabeça de vergonha

e vou pra casa?

Físicos de partículas são exploradores.

E muito do que fazemos é cartografia.

Vamos colocar desta forma:
esqueçam o LHC por um segundo.

Imaginem que são exploradores do espaço
chegando a um planeta distante,

em busca de alienígenas.

Qual é a primeira tarefa de vocês?

Orbitar imediatamente
o planeta, aterrissar,

dar uma rápida olhada ao redor em busca
de algum grande e óbvio sinal de vida

e relatar para a base.

É nesse estágio que estamos, agora.

Demos uma primeira olhada no LHC

em busca de alguma partícula nova,
grande e facilmente visível,

e podemos relatar que não há nenhuma.

Vimos uma estranha saliência
em uma montanha distante,

mas quando chegamos perto
vimos que era uma pedra.

O que fazemos, então? Simplesmente
desistimos e vamos embora?

Claro que não;

seríamos péssimos cientistas
se fizéssemos isso.

Não, passaremos
as próximas décadas explorando,

mapeando o território,

peneirando a areia
com um instrumento de precisão,

olhando embaixo de cada pedra,

perfurando abaixo da superfície.

Novas partículas
podem surgir imediatamente,

como saliências grandes e visíveis,

ou podem se revelar apenas
depois de anos de coleta de dados.

A humanidade começou agora a explorar
com o LHC a esse nível de energia,

e temos muita pesquisa a fazer.

Mas e se depois de 10 ou 20 anos ainda não
tivermos encontrado nenhuma partícula?

Construímos uma máquina maior.

(Risos)

Pesquisamos em níveis
mais altos de energia.

Pesquisamos em níveis
ainda mais altos de energia.

Já está sendo planejado um túnel
de 100 km que vai colidir partículas

a um nível de energia
dez vezes maior que o LHC.

Nós não decidimos onde a natureza
coloca novas partículas.

Só decidimos continuar explorando.

Mas e se mesmo com um túnel de 100 km

ou de 500 km

ou um colisor de 10 mil km
flutuando no espaço

entre a Terra e a Lua,

ainda não tivermos encontrado
novas partículas?

Então talvez estejamos fazendo
a física das partículas de forma errada.

(Risos)

Talvez seja preciso
repensar algumas coisas.

Talvez sejam necessários
mais recursos, tecnologia e expertise

do que temos atualmente.

Já usamos inteligência artificial
e aprendizado de máquina em partes do LHC,

mas imaginem projetar
um experimento de física das partículas

com algoritmos tão sofisticados
que ensinassem a si próprios

como descobrir
um gráviton hiperdimensional.

E se?

A última pergunta:

e se nem a inteligência artificial ajudar
a responder nossas perguntas?

E se essas perguntas,
há séculos sem resposta,

estiverem destinadas
a continuarem assim no futuro?

E se as coisas que me incomodam
desde que eu era pequeno

estiverem destinadas a continuarem
sem resposta por toda minha vida?

Então...

isso será ainda mais fascinante.

Seremos forçados a pensar
de formas completamente novas.

Teremos que retornar a nossas hipóteses,

e determinar se houve
alguma falha em algum ponto.

Precisaremos encorajar mais pessoas
a unirem-se a nós no estudo da ciência,

pois precisaremos de novos olhares
sobre esses problemas seculares.

Eu não tenho as respostas
e ainda estou buscando por elas.

Mas alguém que talvez esteja
no ensino médio, agora,

que talvez ainda nem tenha nascido,

pode por fim nos levar a ver a física
de uma forma completamente nova,

e mostrar que talvez só estejamos
fazendo as perguntas erradas.

O que não seria o fim da física,

mas um novo começo.

Obrigado.

(Aplausos)