Deus, matéria escura e quedas de gatos: a SciAm conversa com Frank Wilczek, físico vencedor do Prêmio Templeton 2022
O físico teórico e ganhador do Prêmio Nobel, Dr. Frank Wilczek, ganhou o Prêmio Templeton de 2022. Crédito: Michael Clark
Frank Wilczek, físico teórico, autor e vencedor do Prêmio Nobel, foi anunciado como o ganhador do Prêmio Templeton 2022, avaliado em mais de US $1,3 milhão. O prêmio anual homenageia aqueles “que aproveitam o poder das ciências para explorar as questões mais profundas do universo e o lugar e o propósito da humanidade dentro dele”, de acordo com um comunicado de imprensa da Fundação John Templeton. Os destinatários anteriores incluem cientistas como Jane Goodall, Marcelo Gleiser e Martin Rees, bem como líderes religiosos ou políticos como Madre Teresa e Desmond Tutu.
O trabalho vencedor do Nobel de Wilczek remonta ao início da década de 1970, quando ele e dois colegas elaboraram uma teoria que descreve o comportamento de partículas fundamentais chamadas quarks – um feito que se mostrou crucial para estabelecer o Modelo Padrão da física de partículas. Ele também propôs a existência de múltiplas novas partículas e entidades. Alguns, como “cristais do tempo” e “anyons”, já foram descobertos e parecem promissores para o desenvolvimento de melhores computadores quânticos. Outra previsão de Wilczek – o “axion” – permanece não confirmada, mas é uma das principais candidatas à matéria escura, a substância invisível que se acredita ser a maior parte da massa do universo. Ele também é um autor prolífico, e em seus livros recentes relaciona seu trabalho como físico com suas contemplações sobre a beleza inerente da realidade, argumentando que nosso universo incorpora as estruturas matematicamente mais elegantes.
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A Scientific American conversou com Wilczek sobre a interação entre ciência e espiritualidade, relatos recentes de que o Modelo Padrão pode estar “quebrado” e sua mais recente pesquisa envolvendo a caça a partículas hipotéticas e a física de gatos em queda.
(Segue uma transcrição editada da entrevista)
Wilczek, parabéns por receber o Prêmio Templeton. O que esse prêmio representa para você?
Meus esforços exploratórios e baseados na ciência para abordar questões que muitas vezes são consideradas filosóficas ou religiosas estão ressoando. Sou muito grato por isso e comecei a pensar sobre o que tudo isso significa.
Um tipo de despertar “espiritual” para mim foi experimentar como é possível um diálogo com a natureza – em que a natureza “responde” e às vezes o surpreende e às vezes confirma o que você imaginou. Vagas esperanças e conceitos que originalmente eram rabiscos no papel tornam-se propostas experimentais e, às vezes, descrições bem-sucedidas do mundo.
Agora você não se identifica com nenhuma tradição religiosa em particular, mas em seu livro de 2021 Fundamentals: Ten Keys to Reality, você escreveu: “Ao estudar como o mundo funciona, estamos estudando como Deus funciona e, assim, aprendendo o que Deus é”.
O que você quer dizer com isso?
O uso da palavra “Deus” na cultura comum é muito frouxo. As pessoas podem dar significados completamente diferentes para ela. Para mim, o fio condutor é pensar grande: pensar em como o mundo funciona, o que é, como surgiu e o que tudo isso significa para o que devemos fazer.
Escolhi estudar isso em parte para preencher o vazio que ficou quando percebi que não podia mais aceitar os dogmas da Igreja Católica que significavam muito para mim na adolescência. Esses dogmas incluem afirmações sobre como as coisas acontecem, que são particularmente difíceis de conciliar com a ciência. Mas, mais importante, o mundo é um lugar maior, mais antigo e mais estranho do que o relato tribal da Bíblia. Existem algumas afirmações sobre ética e atitudes sobre a comunidade que considero valiosas, mas não podem ser tomadas como pronunciamentos “do alto”. Acho que agora reuni sabedoria e experiência de vida suficientes para poder revisitar tudo isso com uma visão real.
Wilczek, você pode me dar alguns exemplos específicos de como a sabedoria que você tem agora, mas não teve no início de sua carreira científica, influenciou sua perspectiva?
“Complementaridade” significa que você não pode usar uma única imagem para responder a todas as perguntas significativas. Você pode precisar de descrições muito diferentes, mesmo descrições que são mutuamente incompreensíveis ou superficialmente contraditórias. Esse conceito é absolutamente necessário para entender a mecânica quântica, onde, por exemplo, você não pode fazer previsões sobre a posição e o momento de um elétron simultaneamente. Quando encontrei pela primeira vez as ideias de Bohr sobre levar a complementaridade além da mecânica quântica, não fiquei impressionado.
Achei que era uma bobagem limítrofe. Mas percebi que é uma sabedoria muito mais geral que promove a tolerância e a expansão da mente. Há também a atitude científica de que a abertura e a honestidade permitem que as pessoas floresçam. Aumenta a eficácia dos cientistas, ter uma espécie de relacionamento amoroso com o que estão fazendo, porque o trabalho pode ser frustrante e envolve investir no aprendizado de um material bastante árido. E depois há a lição da beleza: quando você se permite usar sua imaginação, o mundo retribui com presentes maravilhosos.
Você ganhou uma parte do Prêmio Nobel de Física em 2004 por seu trabalho na compreensão da força forte, que une partículas subatômicas dentro do núcleo atômico. Este trabalho faz parte da espinha dorsal do Modelo Padrão. Mas o Modelo Padrão é obviamente incompleto porque não leva em conta a gravidade ou a matéria escura ou a “energia escura” que parece estar alimentando a expansão acelerada do universo. Muitos físicos, incluindo você, consequentemente acreditam que eventualmente encontraremos evidências que nos permitirão criar um sucessor, ou uma extensão do Modelo Padrão. Em abril, físicos do Fermi National Accelerator Laboratory em Batavia, Illinois, anunciaram que haviam medido a massa de uma partícula elementar chamada bóson W como sendo significativamente mais pesada do que o previsto pelo Modelo Padrão.
Wilczek, este é um sinal emocionante de que o reinado do Modelo Padrão está chegando ao fim?
Eu sou cético. Este é um trabalho impressionante, mas é uma tentativa de fazer uma medição de alta precisão da massa de uma partícula instável que decai muito rápido de maneiras exóticas. E porque o bóson W tem um tempo de vida finito, de acordo com a mecânica quântica, ele tem uma incerteza de massa. Apenas o fato de que a medição é tão complicada levanta é suficiente para gerar questionamentos. E então, ainda mais grave, é que o resultado não é apenas discrepante com cálculos teóricos, mas também com medições experimentais anteriores. Se houvesse uma hipótese teórica convincente sugerindo que deveria haver essa discrepância com a massa do bóson W, mas nenhuma outra discrepância com todos os outros testes, isso seria fantástico. Mas esse não é o caso. Então, para mim, o júri ainda está reunido.
Um de seus sucessos mais recentes foi prever a existência de um novo estado quântico da matéria que você chamou de “cristal do tempo” porque suas partículas exibem comportamento repetitivo – como um pêndulo oscilante – mas sem consumir energia.
Como você teve esta ideia?
Há quase 10 anos eu estava me preparando para ministrar um curso sobre simetria e pensei: “Vamos pensar na simetria de cristal em mais do que apenas 3-D; vamos pensar em cristais que são periódicos no tempo.” Basicamente, os cristais do tempo são relógios auto-organizados, que não são construídos, mas surgem espontaneamente porque querem ser relógios. Agora, se você tem sistemas que querem se mover espontaneamente, isso soa perigosamente como uma máquina de movimento perpétuo, e isso assustou os físicos. Mas recebi várias injeções de confiança em minha carreira, então não tive medo e pulei onde os anjos temem pisar. Originalmente, eu queria chamar isso de “quebra espontânea da simetria da tradução do tempo”, mas minha esposa Betsy Devine disse: “Que diabos?!” Então eles se tornaram cristais do tempo.
Cristais do tempo já foram criados no laboratório e em um computador quântico. Como eles podem ser úteis?
A aplicação mais promissora é fazer relógios novos e melhores, mais portáteis e robustos. Fazer relógios precisos é uma fronteira importante na física; [eles são] usados em GPS, por exemplo. Também é importante fazer relógios que sejam amigáveis à mecânica quântica, porque os computadores quânticos precisarão de relógios compatíveis.
Você tem o hábito de inventar nomes cativantes. Na década de 1970, você propôs uma nova partícula hipotética que chamou de “áxion” – inspirada em um detergente para roupas – porque sua existência resolveria um problema técnico confuso no funcionamento da física de partículas. Desde então, outros físicos sugeriram que os áxions, se existirem, têm as propriedades certas para compor a matéria escura.
Como está progredindo a busca por áxions?
Os áxions são super emocionantes. Foi totalmente inesperado para mim no início que a teoria fosse perfeitamente projetada para explicar a matéria escura, mas essa possibilidade vem ganhando terreno. Isso ocorre em parte porque as pesquisas pelos outros principais candidatos à matéria escura, os chamados WIMPs (partículas massivas de interação fraca, na sigla em Inglês), perderam espaço, então os áxions parecem melhores em comparação. E nos últimos anos, surgiram algumas ideias realmente promissoras para detectar os áxions de matéria escura. Eu criei uma com os pesquisadores da Universidade de Estocolmo, Alex Millar e Matt Lawson, que usa um “metamaterial” – um material que foi projetado para processar a luz de maneiras específicas – como uma espécie de “antena” para áxions. A colaboração ALPHA testou protótipos e estou otimista, quase confiante, de que dentro de cinco a 10 anos teremos resultados definitivos.
E a palavra “axion” está agora no dicionário Oxford em Inglês. Quando você está nesse dicionário, você sabe que chegou.
Você também cunhou o nome de outra nova partícula, o “anyon”. O Modelo Padrão permite dois tipos de partículas elementares: “férmions” (que incluem elétrons) e “bósons” (como fótons de luz). O anyon é uma terceira categoria de “quasipartícula” que surge através do comportamento coletivo de grupos de elétrons em certos sistemas quânticos. Você previu isso em 1984, mas só foi confirmado nos últimos anos.
Quais são as últimas notícias sobre os anyons?
Eu pensei que levaria alguns meses para verificar se poderia existir anyons, mas levou quase 40 anos. Durante esse tempo, houve literalmente milhares de artigos sobre anyons, mas muito poucos eram experimentais. As pessoas também perceberam que os anyons poderiam ser úteis como formas de armazenar informações – e que isso poderia ser produzido em escala industrial – dando origem ao campo da “computação quântica topológica”. Já houve experimentos de protótipos na China e investimentos sérios da Microsoft. No mês passado, a Microsoft anunciou que eles criaram o tipo de anyon que precisamos para tirar os aplicativos de computação quântica do zero de maneira séria. Então todos esses milhares de artigos de teoria estão finalmente entrando em contato com a realidade prática e até com a tecnologia
Você claramente tem um talento especial para apresentar conceitos inovadores em física.
Wilczek, você tem outras ideias revolucionárias em andamento?
Sim, mas não quero dar sopa pro azar mencionando-as casualmente aqui! No entanto, vou lhe dizer algo divertido em que estou trabalhando: há uma ideia matemática abstrata chamada “simetria de calibre” que sustenta a física de partículas. É uma ferramenta poderosa, mas é um mistério por quê ela está lá. Uma observação interessante é que a simetria de calibre também surge na descrição da mecânica de corpos que são flexíveis e podem se impulsionar. Surpreendentemente, a simetria de calibre aparece quando você tenta descobrir como um gato que cai de uma árvore consegue pousar de pé ou como os mergulhadores evitam cair de barriga. Percebi isso com o [físico] Al Shapere há 30 anos, mas em trabalhos recentes, tenho generalizado em várias direções. É muito divertido – e pode se tornar profundo
E, finalmente, Wilczek, quais são suas esperanças de longo prazo para o futuro da sociedade?
Olhar para a grande história reforça o otimismo cósmico. Eu gosto de dizer que Deus é um “trabalho em andamento”. No dia-a-dia, você pode ter retrocessos — pandemias, guerras —, mas se você observar as tendências gerais, elas são extraordinariamente positivas. As coisas podem dar errado, com guerra nuclear ou catástrofe ecológica, mas se formos cuidadosos como espécie, podemos ter um futuro realmente glorioso. Eu vejo como parte da minha missão no resto da minha vida, tentar direcionar as pessoas rumo a futuros que sejam dignos de nossas oportunidades sem descarrilar.
Zeeya Merali
Publicado originalmente no site da Scientific American dos EUA em 11/05/2022; aqui em 16/05/2022.