Os físicos desenvolveram uma obsessão por encontrar dicas de física ‘além do’ o que já sabemos.Crédito: Roger Ressmeyer/Corbis/VCG via Getty
A natureza parece ter nos jogado como tolo nas últimas décadas. Muita pesquisa teórica em física fundamental durante esse período se concentrou na pesquisa ‘além de nossas melhores teorias: além do modelo padrão da física de partículas, além da teoria geral da relatividade, além da teoria quântica. Mas uma sequência epocal de resultados experimentais provou muitas dessas especulações infundadas, e a física confirmada que aprendi na escola há meio século. Eu acho que os físicos estão falhando em prestar atenção às lições – e que, por sua vez, está dificultando o progresso da física.
Faça a descoberta de 2012 do bóson de Higgs usando o Large Hadron Collider (LHC) no CERN, o Laboratório de Física de Partícula da Europa, perto de Genebra, na Suíça. Peter Higgs e François Englert, dois dos teóricos que haviam estabelecido a teoria subjacente quase 50 anos antes, compartilharam o Prêmio Nobel de 2013 em física por esse feito. O bóson de Higgs foi a última partícula do modelo padrão da física de partículas a ser descoberta e confirmou espetacularmente esse modelo, em vez das dezenas de teorias além dela. Enquanto isso, a aparente ausência de evidências para partículas ‘supersimétricas’ nos dados do LHC decepcionou uma geração de físicos teóricos que apostaram nessas partículas existentes, motivadas por teorias especulativas, incluindo a teoria das cordas.
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Ou tome a primeira detecção direta de ondas gravitacionais em 2015. Essa foi uma confirmação espetacular da teoria da gravidade centenária de Albert Einstein, relatividade geral. O Nobel de Física de 2017 foi a três físicos que fizeram contribuições teóricas e experimentais decisivas para a descoberta.
Nesse mesmo ano, a detecção quase simultânea de sinais gravitacionais e eletromagnéticos a partir da fusão de duas estrelas de nêutrons (o evento GW170817) melhorou o conhecimento dos cientistas da razão entre as velocidades das ondas gravitacionais e eletromagnéticas (que a relatividade geral implica deve ser a mesma) por alguns 14 ordenos de magnitude. De uma só vez, isso excluiu um enorme domínio de teorias além da relatividade geral. De maneira semelhante, o Prêmio Nobel de 2020 em física foi concedido por trabalho, mostrando que a existência e a fenomenologia dos buracos negros estavam de acordo com a relatividade geral.
E, finalmente, pegue o Nobel de Física de 2022, concedido por experimentos realizados ao longo de décadas que verificaram fenômenos como o emaranhamento quântico em grandes distâncias, falsificando especulações sobre teorias além da mecânica quântica. Esses resultados são frequentemente apresentados como surpreendentes, mas na verdade eles acabaram de confirmar o que eu foi ensinado na escola.
E, no entanto, durante décadas, todo novo ponto de dados na física ou astronomia de partículas que parecia estar em uma ligeira tensão com idéias estabelecidas foi anunciada como uma pitada de teorias atuais da física. As grandes comunidades de físicos usaram dicas como um trampolim para especulações, produzindo uma floresta de papéis no processo. Mas esses novos dados sempre se mostraram explicáveis pela física estabelecida, por flutuações estatísticas – ou mesmo por erro experimental.
Você pode pensar que isso repetiu especulações selvagens além de nossas melhores teorias, incentivaria uma certa humildade em nossa atitude metodológica. No entanto, vejo poucas evidências para que, entre muitos dos meus colegas teóricos, que continuam com a intenção de perseguir a próxima grande teoria ‘além dos’ aqueles que temos hoje. Por que?
Digestão ruim
Meu palpite é que é pelo menos em parte porque os físicos são filósofos ruins. As opiniões dos cientistas, se eles percebem ou não (e gostam ou não), estão imbuídos de filosofia. E muitos de meus colegas-especialmente aqueles que argumentam que a filosofia é irrelevante-têm uma idéia do que a ciência deve fazer que se origina em versões mal digeridas da obra de dois filósofos do século XX: Karl Popper e Thomas Kuhn.
De Kuhn, vem a idéia de que novas teorias científicas não estão fundamentadas nas anteriores: o progresso ocorre através de ‘mudanças de paradigma’, os equivalentes científicos das revoluções. Enquanto isso, Popper fornece a noção de que uma teoria é científica apenas se for ‘falsificável’: se puder ser provada errada por evidências empíricas. As leituras superficiais de Popper e Kuhn, eu acho, incentivaram várias suposições que enganaram uma boa quantidade de pesquisas: um, que o conhecimento passado não é um bom guia para o futuro e que novas teorias devem ser pescadas do céu; e dois, que todas as teorias que ainda não foram falsificadas devem ser consideradas igualmente plausíveis e com a mesma necessidade de serem testadas.
A história da ciência sugere que essas atitudes são mal-intencionadas. É difícil, se não impossível, pensar em um grande avanço na física fundamental que emergiu de hipóteses arbitrárias. Em vez disso, eles vieram de duas fontes, ambas empíricas.
As teorias bem -sucedidas da realidade raramente são pescadas do céu.Crédito: Silvia Otte/Getty
O primeiro são novos dados. O insight de Johannes Kepler no início do século XVII de que os planetas se movem em orbitas elípticas, e não circulares, ao redor do sol, vieram de observações de anomalias no movimento de Marte. As equações do século XIX de James Clerk Maxwell do eletromagnetismo clássico surgiram de experimentos anteriores por Michael Faraday e outros. A idéia fundadora da mecânica quântica chegou em cerca de 1900 a partir de estudos de espectroscopia atômica. A cromodinâmica quântica, a teoria da forte força nuclear que é um dos fundamentos do modelo padrão de física de partículas, emergiu das tentativas de levar a ordem a um zoológico de partículas ‘hadron’ recém -descobertas nas décadas de 1950 e 1960. E assim por diante.
A segunda fonte de avanços é o estudo de aparentes inconsistências ou incoerências no conhecimento estabelecido: levar esse conhecimento a sério e tentar torná -lo consistente. Um exemplo célebre é a teoria especial da relatividade de Einstein em 1905. A relatividade especial nasceu da observação de que as equações de Maxwell representam muito bem para os fenômenos eletromagnéticos, mas dizem que viajam a uma velocidade absoluta: a velocidade da luz. Isso parecia incompatível com um fato entendido desde as investigações do Galileu Galilei no século XVII: essa velocidade é uma quantidade relativa.
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Após a leitura ingênua de Popper e Kuhn, Einstein deveria ter explorado modificações das equações de Maxwell ou perdoa a relatividade da velocidade. Ele fez o contrário. Ele confiava no conhecimento científico passado, manteve as equações de Maxwell e a relatividade da velocidade e se livrou da aparente contradição entre os dois, assumindo que ambos estavam certos e mudando outra coisa: a idéia de que o tempo e a simultaneidade são absolutos. Einstein fez a idéia de que a simultaneidade depende de como um observador está movendo a base de uma nova teoria da relatividade.
A relatividade geral, que Einstein introduziu em 1915, é um produto de uma estratégia semelhante. É baseado na confiança no conhecimento fundamental que já havia sido adquirido: relatividade especial; Gravidade newtoniana nos campos relativamente fracos nos quais até agora havia sido testado; e a teoria de Maxwell como um modelo para contornar um problema com a gravidade de Newton, de que parecia agir instantaneamente sobre distâncias. A gravidade, como o eletromagnetismo, também pode ser assumido como tendo uma velocidade absoluta: a velocidade da luz.
Nestes e casos similares, o progresso foi feito principalmente sem novos dados. Quando, no século XVI, Nicolaus Copernicus explorou a possibilidade de que a Terra gira e se mova ao redor do sol, em vez do sol ao redor da Terra, ele praticamente não tinha mais nada para se apoiar do que qualquer outra pessoa na astronomia no milênio anterior. Einstein disse que o resultado do experimento de 1887 Michelson -Morley, que realmente parecia mostrar que a velocidade da luz é absoluta, independentemente de quem a está observando, não era importante para ele derivar a relatividade especial. Essa afirmação é credível, porque o resultado de Michelson -Morley é realmente irrelevante para derivar a relatividade especial (embora seja uma validação da teoria). Da mesma forma, a capacidade da relatividade geral de explicar o movimento anômalo do periélio de Mercúrio (seu ponto de abordagem mais próxima do sol), que a gravidade newtoniana não pôde, trabalhou como uma validação da nova teoria, mas não como fonte.
O caso fabuloso do eletromagnetismo clássico é um pouco diferente. Novos dados de Faraday e outros eram essenciais, mas Maxwell construiu sua síntese final, procurando consistência com leis descobertas anteriormente. A nova física nasceu novamente de conhecimentos anteriores – de levá -lo a sério como informações confiáveis sobre a realidade.
