Como exploramos perguntas sem resposta em Física

James Beacham procura respostas para as mais importantes perguntas em aberto da Física, usando a maior experiência científica jamais montada, o Grande Colisor de Hadrões do CERN. Nesta palestra divertida e acessível sobre como acontece a ciência, Beacham leva-nos numa viagem através de dimensões extra-espaciais à procura de partículas fundamentais ainda não descobertas (e uma explicação para os mistérios da gravidade) e detalhes sobre a vontade de continuar a explorar.

Há algo na Física

que me tem incomodado
desde que sou criança.

Está relacionado com uma pergunta

que os cientistas vêm
fazendo há quase 100 anos,

sem obterem resposta.

Como é que as coisas
mais pequenas na natureza,

as partículas do mundo quântico,

se assemelham às coisas maiores
na natureza

— os planetas, as estrelas e as galáxias,
unidas pela gravidade?

Em criança, eu refletia
sobre perguntas como esta.

Brincava com microscópios
e eletroímanes,

e lia sobre as forças do "pequeno"

e sobre a mecânica quântica

e ficava fascinado com o facto
de essa descrição se assemelhar tão bem

às nossas observações.

Depois olhava para as estrelas,

e lia sobre como compreendemos
tão bem a gravidade,

e pensava que, seguramente,
devia haver uma forma elegante

de estes dois sistemas se ligarem.

Mas não há.

E os livros diziam:

Sim, percebemos muito bem
os dois reinos, em separado,

mas quando tentamos uni-los
matematicamente,

tudo falha.

E durante 100 anos,

nenhuma das nossas ideias
que tentam resolver este desastre da física

foi sustentada por provas.

E para o pequeno eu

— o pequeno, curioso e cético James —

isto era uma resposta
extremamente insatisfatória.

De resto, sou ainda um miúdo cético.

Avancemos agora até dezembro de 2015,

quando me encontrei
no centro do mundo da física

virado do avesso.

Tudo começou quando nós no CERN
vimos algo intrigante nos dados:

um indicador de uma nova partícula,

uma hipótese de resposta,
possivelmente extraordinária.

a esta pergunta.

Continuo um miúdo cético, penso eu,

mas agora sou também
caçador de partículas.

Sou físico no Grande Colisor
de Hadrões (GCH), no CERN,

a maior experiência científica
alguma vez criada.

É um túnel de 27 quilómetros
na fronteira entre a França e a Suíça

a cem metros debaixo do solo.

Neste túnel,

usamos ímanes supercondutores
mais frios que o espaço exterior

para acelerar protões
quase à velocidade da luz

e colidi-los uns contra os outros,
milhões de vezes por segundo,

recolhendo os detritos dessas colisões

para procurar novas partículas
fundamentais, não descobertas.

O desenho e a construção
levou décadas de trabalho

de milhares de físicos de todo o mundo.

No verão de 2015,

estávamos a trabalhar
sem descanso no GCH

com a mais alta energia
que os seres humanos já usaram

numa experiência de colisão.

Uma energia mais alta é importante

porque, para as partículas,

há uma correspondência
entre energia e massa de partículas,

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

Para descobrir novas partículas,

temos de alcançar esses números maiores.

Para isso, tivemos de construir
um colisor maior, de energia alta,

o maior colisor de energias
altas no mundo

é o Grande Colisor de Hadrões.

Fazemos colidir protões
milhares de biliões de vezes,

e obtemos esses dados
lentamente, durante muitos meses.

Podem aparecer novas partículas
nos nossos dados como bossas

— ligeiros desvios do que é esperado,

pequenos aglomerados de dados
que deformam a suavidade da linha

Por exemplo, esta bossa,

depois de meses
a colecionar dados, em 2012,

levou à descoberta da partícula de Higgs

— o bosão de Higgs —

e ao Prémio Nobel
pela confirmação da sua existência.

Este salto em energia, em 2015,

representou a melhor hipótese
que nós, enquanto espécie,

tivemos de descobrir novas partículas

— novas respostas a estas velhas questões,

porque era quase o dobro
da energia que tínhamos usado

quando descobrimos o bosão de Higgs.

Alguns dos meus colegas trabalharam
para este momento, durante toda a carreira,

e honestamente,
para o pequeno curioso eu,

este era o momento
por que esperei durante toda a vida.

Por isso, 2015 era o momento.

Então, em junho de 2015,

o GCH foi novamente ligado.

Os meus colegas e eu retivemos
a respiração e roemos as unhas,

e finalmente vimos
as primeiras colisões de protões

à energia mais alta de sempre.

Aplausos, champanhe, celebração!

Foi um marco para a ciência.

Não sabíamos o que iríamos
encontrar nestes dados novos.

Semanas mais tarde,
encontrámos uma bossa.

Não era uma bossa muito grande,

mas era suficientemente grande
para franzirmos o sobrolho.

Numa escala de 10
de franzir o sobrolho,

se 10 indica que encontrámos
uma nova partícula,

esta era um quatro.

(Risos)

Passei horas, dias, semanas
em reuniões secretas,

a analisar esta bossa com os meus colegas,

manipulando- a com tudo
o que tínhamos à mão

para ver se iria resistir à observação.

Mesmo meses depois
de trabalhar sem descanso

— a dormir no escritório
e sem ir a casa,

com barras de chocolate como jantar,

e baldes de café,

os físicos são máquinas
que transformam o café em diagramas —

(Risos)

esta pequena bossa não desaparecia.

Meses depois,

apresentámos a bossa ao mundo
com uma mensagem clara:

"Esta bossa é interessante
mas não é definitiva,

"vamos manter os olhos nela
enquanto obtemos mais dados".

Estávamos a tentar ser
descontraídos sobre o assunto.

Mas o mundo acompanhou-nos.

As notícias adoraram.

As pessoas diziam
que lhes fazíamos lembrar

a bossa descoberta
do bosão de Higgs.

Melhor que isso,
os meus colegas teóricos

— adoro os meus colegas teóricos —

escreveram 500 artigos
sobre esta pequena bossa.

(Risos)

O mundo da física das partículas
tinha dado uma reviravolta.

Mas o que tinha esta bossa em particular

que fez centenas de físicos
perderem a cabeça?

Esta pequena bossa era única.

Esta pequena bossa indicava

que estávamos a ver um grande
número inesperado de colisões

cujos destroços consistiam
apenas em dois fotões,

duas partículas de luz.

E isso é raro.

As colisões de particula não são
como colisões de automóveis.

Têm regras diferentes.

Quando duas partículas colidem
quase à velocidade da luz,

passa-se para o domínio
do mundo quântico.

E no mundo quântico,

estas duas partículas
podem criar uma partícula nova

que dura uma pequena
fração de segundo

antes de se separar noutras partículas
que atingem o detetor.

Imaginem uma colisão de dois carros
que desaparecem com o impacto,

e aparece uma bicicleta no lugar deles.

(Risos)

A bicicleta explode em dois "skates"
que atingem o detetor.

(Risos)

Felizmente, não literalmente.

São muito caros.

Os momentos em que só dois fotões
atingem o detetor são muito raros.

Devido às propriedades quânticas
especiais dos fotões,

há um número muito pequeno
de novas partículas possíveis

— essas bicicletas míticas —

que podem dar origem
a apenas dois fotões.

Mas uma dessas opções é enorme,

e está relacionada
com aquela velha questão

que me incomodava em pequeno

sobre a gravidade.

A gravidade pode parecer-vos super forte,

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

Posso brevemente vencer
a gravidade quando salto,

mas não posso pegar num protão
com a minha mão.

A força da gravidade comparada
a outras forças da natureza?

É de 10 elevado a menos 39.

Isso é um número decimal com 39 zeros.

Pior que isso,

todas as forças da natureza conhecidas
estão perfeitamente descritas

nesta coisa a que chamamos
o Modelo Padrão

que é a nossa melhor descrição da natureza
na sua escala mais pequena,

e, sinceramente,

um dos maiores sucessos da humanidade

— exceto para a gravidade,
que está ausente do Modelo Padrão.

É de loucos!

É quase como se a maior parte
da gravidade tivesse desaparecido.

Sentimos um pouco dela,

mas onde está o resto?

Ninguém sabe.

Mas uma explicação teórica
propõe uma solução rebelde.

Vocês e eu

— até mesmo vocês aí ao fundo —

vivemos em três dimensões espaciais.

Espero que isto não seja
uma declaração controversa.

(Risos)

Todas as partículas conhecidas
vivem nestas três dimensões espaciais.

Aliás, uma partícula é apenas outro nome

para uma excitação
num campo tridimensional;

uma oscilação localizada no espaço.

Mais importante, toda a matemática
que usamos para descrever isto

assume que só existem
três dimensões espaciais.

Mas a matemática é o que é,
e podemos brincar com ela como quisermos

E as pessoas têm brincado
com dimensões espaciais extra

há muito tempo,

mas tem sempre sido um conceito
matemático abstrato.

Basta olhar à nossa volta
— vocês aí ao fundo, olhem à vossa volta —

há claramente apenas
três dimensões espaciais.

Mas e se isso não for verdade?

E se a gravidade que falta

desaparece numa dimensão extra-espacial

que é invisível para todos nós?

E se a gravidade for tão forte
como as outras forças

se a víssemos nesta
dimensão extra-especial?

E se o que nós verificamos
é só uma pequena fatia da gravidade

e por isso ela parece tão fraca?

Se isto fosse verdade,

teríamos de expandir o nosso
Modelo Padrão de partículas

para incluir uma nova partícula,

uma partícula hiperdimensional
de gravidade,

um gravitão especial que existe
em dimensões extra-espaciais.

Posso ver pela expressão nas vossas caras

que devem estar a perguntar:

"Como iremos testar esta ideia louca,
de ficção cientifica,

"estando presos em três dimensões?"

Da forma como sempre fizemos,
fazendo colidir dois protões...

(Risos)

... com a força suficiente
para que a colisão vá ecoar

nalguma dimensão extra-espacial
que possa existir,

criando momentaneamente
este gravitão hiperdimensional

que depois repercute
para as três dimensões do GCH

e se divide em dois fotões,

em duas partículas de luz.

Este gravitão hipotético,
extradimensional,

é uma das novas partículas
hipotéticas possiveis

com as propriedades quânticas especiais

que podem originar a nossa pequena
bossa de dois fotões.

A possibilidade de explicar
os mistérios da gravidade

e de descobrir dimensões espaciais extra

— talvez agora percebam

porque milhares de "geeks" da física
perderam a cabeça

com a nossa pequena bossa de dois fotões.

Uma descoberta deste tipo
faria reescrever os manuais.

Mas lembrem-se,

a mensagem dos experimentalistas

que estavam por detrás
deste trabalho, na altura,

foi muito clara:

precisamos de mais dados.

Com mais dados,

a nossa bossa ou se transforma
num bom Prémio Nobel...

(Risos)

... ou os dados extra preencherão
o espaço à volta da bossa

e torná-la-ão numa linha suave.

Assim, pegámos em mais dados,

e com cinco vezes mais dados,
vários meses depois,

a nossa pequena bossa

tornou-se numa linha suave.

As notícias relataram uma "enorme
desilusão," uma "esperança sumida,"

e que os físicos de partículas
"estavam tristes."

Com este tom dos artigos,

pensariam que tínhamos decidido
desligar o GCH e ido para casa.

(Risos)

Mas não foi o que fizemos.

E porque não o fizemos?

Quer dizer, se eu não descobri
uma partícula — o que não fiz —

se não descobri uma partícula,
porque estou aqui a falar?

Porque não fico cabisbaixo,
envergonhado,

e volto para casa?

Os físicos de partículas são exploradores.

E muito do que fazemos é cartografia.

Ponhamos as coisas assim:
esqueçam por agora o GCH.

Imaginem que são exploradores
espaciais num planeta distante,

à procura de extraterrestres.

Qual seria a vossa primeira tarefa?

Andar à volta do planeta,
aterrar, olhar à volta

procurando sinais óbvios de vida,

e reportar de volta à base-mãe.

É aí que estamos agora.

Procurámos no GCH

alguma partícula óbvia,
nova e grande,

e podemos reportar
que não há nenhuma.

Vimos um alienígena estranho
numa montanha distante,

mas quando nos aproximámos,
vimos que era uma pedra.

Então que fazemos?
Desistimos e vamos embora?

De modo nenhum;

seriamos cientistas terríveis
se o fizéssemos.

Vamos passar as próximas décadas
a explorar,

a mapear o terreno,

a peneirar a areia
com um bom instrumento,

a espreitar por baixo de cada pedra,

a perfurar a superfície.

Novas partículas podem
aparecer imediatamente

como bossas grandes e óbvias,

ou podem-se revelar
depois de anos de aquisição de dados.

A Humanidade só agora começou a exploração
no GCH com a sua energia alta,

e temos muito para pesquisar.

Mas e se, depois de 10 ou 20 anos,
não descobrimos mais partículas novas?

Construímos uma máquina maior.

(Risos)

Procuramos com energias ainda mais altas.

Procuramos com energias ainda mais altas.

Já estão a ser feitos planos
para um túnel de 100 km

que irá colidir partículas
com 10 vezes mais energia que o GCH.

Não decidimos onde a natureza
coloca novas partículas.

Só podemos decidir
continuar a explorar.

E se, mesmo com um túnel
de 100 quiilómetros

ou com um túnel com 500 km,

ou um colisor com 10 000 km
a flutuar no espaço

entre a Terra e a Lua,

não encontrarmos novas partículas?

Então talvez estejamos a fazer mal
a física de partículas.

(Risos)

Talvez tenhamos de repensar as coisas.

Talvez precisemos de mais recursos,
mais tecnologia e conhecimentos

do que temos neste momento.

Já usamos inteligência artificial
e aprendizagem automática

em partes do GCH,

mas imaginem uma experiência
de física de partículas

usando algoritmos sofisticados

que podem ensinar a si mesmos a descobrir
gravitões hiper-dimensionais.

Mas e se...
uma última pergunta:

E se a inteligência artificial não puder
ajudar a responder às nossas perguntas?

E se estas perguntas,
velhas de séculos,

estão destinadas a não terem resposta
num futuro próximo?

E se o que me tem incomodado
desde a minha infancia

não tiver respostas durante a minha vida?

Então...

ainda será mais fascinante.

Seremos forçados a pensar
de formas diferentes.

Voltaremos às nossas premissas,

e determinar se houve uma falha algures.

Teremos de encorajar mais pessoas
para se juntarem a nós a estudar ciência

pois precisamos de olhos novos
para estas questões centenárias.

Não tenho as respostas e ainda as procuro.

Mas alguém

— talvez esteja na escola agora,
talvez ainda não tenha nascido —

talvez nos possa guiar
para ver a física de forma diferente,

para mostrar que talvez estejamos
a fazer as perguntas erradas.

O que não seria o fim da física,

mas um novo começo.

Obrigado.

(Aplausos)