O problema epistemológico do desenvolvimento da ciência: o caso da física

Entrevista

Álvaro de Rújula: “Sou o único físico teórico a ter medido uma constante fundamental da natureza”

Por Ana Gerschenfeld

23/07/2015 - 08:30

Em que andam a pensar os teóricos da física para descrever os ingredientes subatómicos do Universo em que vivemos? O físico teórico espanhol inventou uma Deusa para nos fazer perceber a confusão que reina nesta área.



Durante a sua carreira profissional, Álvaro de Rújula foi físico teórico do Laboratório Europeu de Física de Partículas (CERN) – a casa do LHC, o maior acelerador de partículas do mundo, perto de Genebra, onde foi descoberto o bosão de Higgs. Nesse sentido, sempre pertenceu a uma espécie rara: hoje, há mais de 2300 engenheiros e técnicos e uma centena de físicos experimentais no quadro do CERN – mas só seis físicos teóricos.

Aos 71 anos, Álvaro de Rújula está reformado (“faço parte da mobília”, declara), mas continua a trabalhar no CERN e no Departamento de Física Teórica da Universidade Autónoma de Madrid.

Em inícios deste mês, deu uma palestra no Pavilhão do Conhecimento, em Lisboa, no âmbito da conferência internacional Light, from the earth to the stars (A luz, da Terra às Estrelas), organizada pela agência Ciência Viva e pela Academia Europaea - Barcelona Knowledge Hub por ocasião do Ano Internacional da Luz. A seguir, quando falamos lá fora, sentados num banco da Expo-98 à sombra de uma árvore, Álvaro de Rújula brindou-nos com respostas ao mesmo tempo humorísticas e sérias, um registo que parece a sua forma predilecta de comunicar.
Já teve ideias “malucas” no seu trabalho como físico?
Nem por isso. O que faço é tentar saber como funcionam as coisas ao nível fundamental. Trabalhei muito no chamado Modelo-Padrão, que nos explica quase tudo o que hoje percebemos (mas não tudo) – e naquela altura, os meus contributos não eram coisas malucas. Até porque estavam certas. Também não eram nada do outro mundo, mas dei o meu contributo. Também trabalhei em muitas outras coisas, aspectos da cosmologia, física das partículas, fiz um pouco de astrofísica. O meu espectro de interesses é amplo.
Foi experimentalista ou só fez trabalho teórico?
Fui. A primeira coisa que fiz, o meu primeiro trabalho, foi experimental e fi-lo enquanto estudante de Verão do CERN quando tinha 19 anos. Naquela altura, as experiências duravam dois ou três meses e no meu grupo, considerado grande, éramos quatro. Mas éramos capazes de fazer experiências interessantes. Isso acabou.
O que pensam os físicos teóricos sobre a descoberta do bosão de Higgs?
O valor da massa do Higgs surpreendeu alguns teóricos, mas o mais surpreendente é que esta partícula parece ser exactamente o que estava previsto pelo Modelo-Padrão. Por um lado isso é bom, mas os físicos não gostam de acertar em cheio. Quando não acertamos em cheio, isso dá-nos pistas para ir mais longe. Por enquanto, o bosão de Higgs não nos tem dado nenhuma pista sobre como ir mais além.
Esse carácter tão “normal” do Higgs não põe em causa teorias como a supersimetria?
Não, antes pelo contrário. O facto de o Higgs existir e de ter a massa que tem satisfaz os defensores da supersimetria. Contudo, isso não significa que haja uma pista concreta, que permita garantir que vamos descobrir a supersimetria já este Verão.
Para quem quer uma teoria que unifique a física, o Modelo-Padrão não chega. Mas se não há pistas sobre o caminho a seguir, o que fazer?
Temos pistas, temos. Porque existe uma teoria, a das supercordas, segundo a qual a gravidade forma parte de um conjunto onde também se incluem as outras forças.
Mas essa teoria não convence toda a gente.
O problema com essa teoria é que funciona de forma limpa e clara somente em dez dimensões espaciais e não em três. E como a realidade não é assim, ainda nos falta um passo: perceber como é possível, se a teoria das cordas estiver certa – se for a maneira certa de introduzir a gravidade como parte de um todo – que nós vivamos num espaço que tem apenas três dimensões espaciais.
Há maneiras de dar esse passo, operando aquilo a que chamamos compactificações, que fazem com que muitas dessas dimensões [adicionais] se transformem em bolinhas praticamente invisíveis. Mas existem muitíssimas maneiras de fazer essas compactificações e não é claro que uma delas seja melhor do que as outras, mais realista, para descrever este Universo preciso em que nos encontramos.
Há maneiras de resolver o problema?
Acontece que [nos aceleradores de partículas] só atingimos um certo nível de energia e que isso limita o tamanho das hipotéticas bolinhas que conseguimos detectar. Se elas existirem, mas se forem mais pequenas do que esse tamanho limite, não as conseguiremos encontrar. É como ter um microscópio que não é suficientemente potente.
O facto de conhecer a escala dessas dimensões adicionais permitiria saber qual é a compactificação mais realista?
Forneceria uma pista muito importante.
O LHC pode ajudar nisso?
Sim, pode. Agora que a energia do LHC duplicou, temos duas vezes mais hipóteses.
Mas o dobro de muito pouco é muito pouco…
Sim, mas é o dobro à mesma, é como explorar o Universo até duas vezes mais longe – ou a Terra até duas vezes mais além dos Açores. Começamos a chegar a lugares interessantes.
Mas mesmo que, depois de anos de funcionamento, o LHC não encontrasse nada de realmente revolucionário, isso representaria um grande avanço. O facto de descobrir que para além dos Açores, não há mais nada entre aqui e a América já é uma descoberta, não é? [ri-se]
Mais vale descobrir a América, mas descobrir que não há mais nada no meio do oceano do que umas quantas ilhas também permite ampliar o conhecimento.
Há contudo um problema – tanto para Colombo como para nós – no facto de voltar de mãos vazias. Como explicar então aos políticos que o facto de não termos descoberto nada é um grande avanço – e que, por isso, precisamos de ir mais longe? É mais fácil convencê-los quando temos uma descoberta. Mas a investigação científica funciona assim, é agradável encontrar coisas, mas consiste sobretudo em procurar.
Tem alguma esperança de que se venham a descobrir coisas revolucionárias com o LHC?
Tenho. Mas o que não posso fazer é apostar nisso, porque não tenho a certeza de que vou ganhar [ri-se]. Quando apostei na existência do Higgs, sabia que ia ganhar – e de facto, ganhei várias apostas com isso e com muitas outras coisas ainda. Mas acerca da próxima descoberta do LHC, não faria qualquer aposta porque não estaria a jogar pelo seguro [ri-se].
A teoria das cordas tem defensores e detractores. É a favor ou contra?
Eu acho que a teoria das cordas é muito bela – e que todas as teorias importantes da natureza foram sempre, por alguma razão, muito simples e muito belas. Por isso, a teoria das cordas é o melhor que temos, embora ainda seja francamente pouco realista. Não temos outra alternativa tão elegante.
A supersimetria é menos elegante?
A supersimetria é uma teoria muito elegante, mas prevê que as partículas supersimétricas, que não foram descobertas até agora, são “irmãs” das partículas que foram descobertas, e que possuem a mesma massa que elas. Ora, isso é falso, porque nós já sabemos que não existe um electrão supersimétrico com a mesma massa do electrão.
Como é que sabem isso?
Porque se existisse e tivesse a massa do electrão, essa partícula poderia ser gerada em casa por qualquer pessoa, num tubo catódico. Como o electrão supersimétrico nunca foi descoberto, isso diz-nos que a supersimetria é na realidade uma simetria “quebrada”. Por alguma razão, não é exacta.
Ora, todas as maneiras [teóricas] que conhecemos para quebrar a supersimetria [de forma a dar conta do facto de que nem todas as partículas têm uma “irmã” supersimétrica] são – na minha opinião – pouco convincentes. Nenhuma é assim tão bela para dizermos que tem de ser verdade.
Com as teorias fundamentais da física – por exemplo, a da relatividade – em geral basta olhar para as equações para dizer que remédio, tem de ser verdade porque é bela demais para não o ser. Mas por enquanto, isto não acontece com as teorias que permitem quebrar a supersimetria. Não nos conseguimos logo apaixonar por nenhuma delas.
E o Modelo-Padrão, não parece ser belo de mais para ser verdade?
Não, pelo contrário. É belo de mais para não ser verdade.
Já agora, eu tenho uma explicação para o facto de as teorias da natureza serem assim tão elegantes e simples. Segundo um colega meu, isso deve-se a que Deusa (porque se existir, é obviamente fêmea) é uma pessoa preguiçosa que claramente fez o Universo em cima do joelho. Se assim não fosse, não haveria crianças a morrer de fome e coisas assim. Saiu-se muito mal. Mas ela tem tido contudo o bom gosto de, aos domingos, quando oficialmente deveria estar a descansar, ler todos os artigos de física. E quando encontra um artigo irresistivelmente belo, como é todo-poderosa, decide que [o que o artigo diz] vai passar a ser verdade, não apenas no futuro, mas também no passado (ela também tem poderes sobre o passado) e faz com que a natureza concorde com essa teoria. Por exemplo, a teoria da relatividade geral de Einstein é tão elegante que quando ela a leu, em 1915, decidiu que tinha de ser verdade.
E com a supersimetria aconteceu-lhe a mesma coisa: as primeiras teorias da supersimetria, que datam dos anos 1970, eram tão elegantes que ela decidiu que tinham de ser verdade. Mas a seguir, muitos cientistas comportaram-se com a supersimetria como se se tratasse de uma religião – de algo em que tinham de acreditar porque sim. Por uma questão de fé e não de observação.
Isso aconteceu com a supersimetria?
Sim. E então ela achou – como a religião é o que mais a incomoda, por razoes óbvias [ri-se] – que aquilo já não era verdade, porque era demasiado religioso. E por isso, decidiu que por enquanto, a supersimetria não seria verdade. Talvez, quando alguém encontrar uma forma de quebrar a supersimetria que seja irresistivelmente bela, e ela ler o artigo num domingo, ela torne a mudar de opinião e a supersimetria torne a ser verdade. Mas por enquanto, estamos num período em que ela decidiu que a supersimetria não é verdade.
E foi um colega seu que lhe deu essa explicação…
Bom, isso é o que eu costumo dizer. [ri-se]
Qual é a diferença entre supersimetria e teoria das cordas, enquanto interpretação da natureza?
A teoria das supercordas [também] é supersimétrica. Mas tem muito mais “miolo”, mais estrutura do que a supersimetria. A supersimetria é uma ideia geral, é um princípio e nada mais sobre como as coisas deveriam ser. A teoria das supercordas é muitíssimo mais concreta – embora não o suficiente, por enquanto, para conseguirmos demonstrar que é verdade. Possui muito mais estrutura do que a teoria da supersimetria, que é apenas um ingrediente da teoria das supercordas.
Mas há quem diga que a teoria das cordas é que se transformou numa religião.
Enquanto as coisas não estão demonstradas, têm um aspecto religioso. Isso significa que é preciso acreditar nelas apesar de não estarem demonstradas.
E você acredita?
Eu não; eu apenas acredito naquilo que está demonstrado. Reservo a minha opinião, para não me enganar [ri-se], até as coisas ficarem esclarecidas.
Portanto, apenas acredita no Modelo-Padrão e pouco mais.
No Modelo-Padrão e pouco mais. Também acredito na relatividade de Einstein.
Duas teorias que ainda não foi possível unificar.
Ainda não, mas elas estão ali.
Qual é que acha que foi o seu maior contributo para a física teórica ao longo da sua carreira?
Por exemplo, na teoria das interacções fortes – a chamada cromodinâmica quântica –, há uma coisa parecida com a carga do electrão, a que se designa de “carga de cor” dos quarks, os constituintes dos protões e dos neutrões. Ora, um ingrediente importante dessa teoria, a “liberdade assimptótica”, é que a carga de cor diminui quando a resolução [a energia] utilizada para observar as partículas aumenta.
O facto que algo tão fundamental como uma carga mude conforme a resolução com a que fazemos as observações dá origem a uma nova constante da natureza, que é a escala [de energia] na qual as coisas mudam: a constante cromodinâmica [de acoplamento].
A primeira pessoa que mediu a constante cromodinâmica – embora não sendo experimentalista –, o primeiro a extrair essa constante fundamental da natureza a partir dos dados fui eu. Nesse sentido, sou o único físico teórico a ter medido [experimentalmente] uma constante fundamental da natureza [ri-se]. Não é algo que os meus colegas valorizem muito, porque a posteriori, toda a gente diz “bah, isso é óbvio”. Mas no fundo, só se torna óbvio quando alguém o faz…

O processo de desenvolvimento da ciência

Há artigos científicos que são belas adormecidas e um dia acordam

Por Nicolau Ferreira

26/05/2015 - 08:05

Ninguém lhes deu importância quando foram publicados, mas muitos anos depois ficaram famosos de repente. Feito o primeiro grande estudo sobre as “belas adormecidas” da publicação científica.

Albert Einstein publicou em 1935 um artigo que ficou esquecido durante 59 anos AFP

1. Investigação científica

São como belas adormecidas, mas não se está a falar de nenhuma princesa que entra num sono profundo, devido ao feitiço de uma bruxa, e é acordada cem anos depois pelo beijo de um príncipe. Estas belas adormecidas são artigos científicos, trabalhos que foram praticamente ignorados depois da sua publicação e só começam a ser citados intensamente passadas muitas décadas, como se acordassem de um longo torpor digno de um conto de fadas.

Este conceito das belas adormecidas da publicação científica foi introduzido pela primeira vez em 2004, num trabalho onde se defendia que essas belas adormecidas eram casos raros. Mas Alessandro Flammini, investigador da Universidade do Indiana, Estados Unidos, e colegas fizeram uma análise intensa de milhões de artigos e descobriram que estes artigos “não são um fenómeno excepcional”, lê-se no trabalho publicado na segunda-feira na revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

“Este estudo dá provas empíricas de que um artigo pode estar verdadeiramente ‘à frente do seu tempo’”, considera Alessandro Flammini, citado num comunicado da universidade. “Um tópico ‘prematuro’ pode não conseguir atrair atenção mesmo quando é introduzido por cientistas que já têm uma boa reputação.”
Um dos casos paradigmáticos é o artigo publicado na Physical Review, em 1935, pelos físicos Boris Podolsky, Nathan Rosen e o famoso Albert Einstein. O estudo, sobre o entrelaçamento quântico, só começou a ser muito citado passados 59 anos, em 1994.
Para o novo trabalho, a equipa analisou mais de 22 milhões de artigos da base de dados “Web of Science”, que reúne estudos tanto das ciências exactas e naturais como das ciências sociais, e examinaram ainda cerca de 384.000 artigos da base de dados da Sociedade Americana de Física, dedicada só a esta área do saber. Os artigos foram sendo publicados ao longo de mais de um século.
A análise permitiu contar o número de citações que um dado artigo teve ao longo dos anos, após a sua publicação. Essas citações, em artigos de outras equipas de cientistas, revelam a importância e o impacto que um artigo teve na comunidade científica, sendo usado para continuar a construir o edifício da ciência. A partir das citações dos 22 milhões de artigos – uma análise sem precedentes –, os cientistas mediram o que designaram por “coeficiente da bela adormecida” para cada trabalho. Este cálculo teve em conta como é que um artigo foi sendo citado ao longo dos anos, compara esse historial com um determinado valor de referência de citações, e considera ainda o ano em que foi mais citado.
De acordo com esta fórmula, o artigo que ficou em primeiro lugar deste coeficiente é da área da química: publicado em 1906 e dedicado à adsorção em soluções, só começou a ser verdadeiramente citado em 2002, atingindo cerca de 300 citações. Ou seja, esteve adormecido durante quase 100 anos e, de repente, teve uma alta taxa de citação.
Apesar de a comunidade científica poder estar mais atenta aos artigos bem-sucedidos, que são muito citados nos primeiros anos após a publicação, a realidade, segundo esta equipa, é mais complexa. “Descobrimos que os artigos cujo historial de citações é caracterizado por um longo período de dormência seguido por um crescimento muito rápido não são fenómenos excepcionais [isolados], mas apenas casos extremos de uma distribuição heterogénea mas contínua”, concluem os autores.
Quatro artigos do top 15 das “belas adormecidas” foram publicados há mais de cem anos. “A aplicação de alguns estudos é simplesmente imprevisível na altura”, explica Alessandro Flammini. “O segundo artigo mais cotado no nosso estudo, publicado em 1958, é sobre a preparação de óxido de grafite, que muito mais tarde se tornou num composto usado para produzir grafeno [descoberto em 2004], um material centenas de vezes mais resistente do que o aço, muito interessante para a indústria.”
Além da questão da imprevisibilidade, há outros dados importantes no estudo. Muitos destes artigos são ignorados durante mais de 50 anos. As disciplinas com mais “belas adormecidas” são a física, a química, os artigos que caem na chamada “categoria multidisciplinar” e a matemática. Mas os cientistas encontraram este fenómeno em áreas tão diversas como a medicina, a cirurgia, a estatística ou as ciências sociais. Um dos fenómenos mais interessantes, revela ainda este trabalho, é que muitos artigos acabam por ser descobertos (e citados) por áreas diferentes daquela a que o artigo original pertence, fazendo com que uma descoberta antiga dê frutos noutra área do saber.
O que falta agora, segundo Alessandro Flammini, é compreender os “mecanismos que provocam o acordar destas belas adormecidas”.

Kuhn e a noção de paradigma

Kuhn põe em causa a objectividade científica e a continuidade histórica do desenvolvimento científico.

Kuhn concebe o cientista, enquanto sujeito de conhecimento, integrado numa comunidade científica. Esta comunidade científica partilha um paradigma, paradigma este que condiciona a forma de pensar e de trababalhar do cientista como.

Popper focalizando a sua atenção para a delimitação entre o que é do que não é ciência e no método científico, atribui grande importância ao génio e à individualidade do cientista na colocação de problemas e na criação de conjecturas explicativas dos fenómenos e solucionadoras dos problemas. O papel da comunidade científica surge a posteriori como corroboração das conjecturas. Pelo contrário em Kuhn atribui à comunidade científica uma importância a montante, pois é ela que partilha um paradigma e que desenvolve uma determinada cultura científica que enforma e condiciona o pensamento individual. Assim, a noção de paradigma é central na investigação científica e no seu desenvolvimento histórico (descontínuo).

O que é um paradigma?

É o conjunto de descobertas científicas, teorias, leis, dispositivos experimentais, metodologias, reconhecidas pela comunidade científica e que se instituem como tradições de investigação e guias da investigação científica fornecendo os problemas-tipo e as soluções a uma comunidade científica.

O paradigma existe como um conjunto de teorias e práticas que convencem uma comunidade científica e estabelece-se como uma forma de pensar, de abordar os assuntos, de colocar os problemas e de os resolver. O paradigma condiciona os procedimentos de investigação no período de ciência normal, orientando o cientista na forma de “olhar” o mundo e de colocar os problemas, limitando-o por isso.

Quando um paradigma científico se institui criam-se as condições para que se estabeleça o período de ciência normal. O período de ciência normal é condicionado pelo paradigma vigente.

O que é o período de Ciência Normal?

É o período em que o paradigma é unanimemente aceite. E é neste período que o paradigma se desenvolve e consolida, se completa. É no período de ciência normal que se desenvolve o paradigma, tornando-o mais pormenorizado e completo, fazendo alargar o âmbito dos factos explicáveis pelo paradigma. Contudo o período de ciência normal não tem como objectivo o de descobri novos factos, ou inventar novas teorias. Pelo contrário a prática científica é sobretudo uma “actividade de resolução de enigmas”.

Por enigma entende Kuhn um problema que tem solução no interior do paradigma e de acordo com regras desses mesmo paradigma.

Neste período o trabalho do cientista dirige-se para a resolução de problemas e eliminação de incongruências segundo os esquemas conceptuais e metodológicos aceites como paradigma.

O paradigma dirige a investigação científica, mas antes disso dirige a própria colocação de problemas e a estrutura da sua resolução. “Em condições normais, o cientista investigador não é um inovador mas um solucionador de puzzles, e os puzzles em que ele se concentra são precisamente aqueles que acredita poderem ser formulados e resolvidos pela tradição científica”.

Todos os problemas possíveis são aqueles que o próprio paradigma promove e enquadra – segundo as suas regras – e a sua solução encontra-se no interior do paradigma.

Os problemas científicos são puzzles (enigmas) que o cientista vai procurar solucionar (quebra-cabeças).

Os problemas são na sua grande parte resolvidos no interior do paradigma, o que dá força ao próprio paradigma, e por isso o s cientistas resistem à mudança.

“A Ciência Normal tem como função inventar novas teorias nem descobrir novos factos: a sua tarefa central é a resolução de enigmas.”

Mas, novos e inesperados fenómenos surgem e novas teorias são propostas.

Estes novos e inesperados fenómenos surgem (descobertas) e não se coadunam com as teorias vigentes: são as anomalias.

Face às anomalias das duas uma: ou há reajustamento nas teorias do paradigma vigente e este continua a dominar ou não são explicados e entra-se num período de crise.

A Crise dá-se pela incapacidade da ciência responder/solucionar, no interior do paradigma, os novos problemas. Isto conduz ao enfraquecimento do paradigma e consequente “relaxamento das regras”.

A Crise que se instala no interior da comunidade científica promove (induz) o Período de Ciência Extraordinária. O Período de Ciência Extraordinária (ou Revolucionária) consiste na busca de novas soluções para novos problemas. A busca de novas soluções, assim, como a possibilidade de novos problemas implicam a mudança de perspectiva – “de olhar”, novas formas de abordar os fenómenos, novas metodologias novas visões do real, que promovem o nascimento de um novo Paradigma – um novo modo de olhar, pensar e interpretar o mundo.

O progresso científico

A crise é um factor de progresso científico, pois é a crise que produz o relaxamento do cumprimento das regras do paradigma e o enfraquecimento do paradigma. A crise é essencial para a evolução descontínua do conhecimento científico e para que novas interpretações dos fenómenos surjam – mais amplas e simples.

A crise está para a teoria epistemológica de Kuhn como o erro está para a teoria de Popper.

 

O falsificacionismo

3.       A superação dos problemas do indutivismo e do verificacionismo: o falsificacionismo

Os métodos científicos tradicionais baseavam-se, segundo Popper, na ideia de que seria possível: a) atingir a verdade; b) provar a verdade de uma hipótese.

Por esta razão estes métodos eram percorridos pela ideia de verificação (pela observação ou pela experimentação). A verificação é um elemento de confirmação da verdade (pressuposta como alcançável e configurável).

Pelo contrário, Popper afirma que uma teoria nunca é verdadeira, (e mesmo que o seja não há forma de o saber) mas sempre provisória. É provisória enquanto outra melhor a não substituir.

As teorias não são verdadeiras, mas mais ou menos próximas da verdade e tendem a ser progressivamente mais próximas da verdade (verosímeis). As conjecturas são progressivamente mais próximas da verdade na medida em que resistem aos testes de falsificação a que as anteriores não resistiram.

Então, a falsificação deve ser a principal tarefa do cientista e da comunidade científica, pois só os testes de refutação permitem detectar erros e evoluir para conjecturas com maior verosimilitude (ou verosimilhança).

O facto das conjecturas se aproximarem progressivamente da verdade e não a alcançarem e o facto da evolução do conhecimento se realizar pela detecção e ultrapassagem do erro, permite a Popper avançar com a teoria da falsificabilidade, que é uma teoria explicativa:

1. da evolução do conhecimento científico
2. do próprio processo interno e metodológico da ciência. 
   ...e que estende ao conhecimento adaptativo em geral (amiba e Einstein )
   Outro problema do verificacionismo é o de que o cientista, ao procurar comprovar a hipótese, cria instrumentos, técnicas e experiências que derivam da hipótese e são orientadas por esta para a sua própria confirmação. É como se houvesse um círculo vicioso, a hipótese dirige o “olhar” para o que se quer ver, a sua própria confirmação.

4.        método das conjeturas e refutações

Face a estes problemas que se levantaram podemos mais facilmente compreender a teoria popperiana do trabalho científico, resumida no seguinte esquema:

Problema-------- Hipótese ------Eliminação de erros------- Problema

O cientista parte sempre de problemas – que por sua vez resultam de discrepâncias prévias, por exemplo discrepâncias entre observações e teorias – e sobre os quais formula teorias explicativas, as conjecturas. Até aqui não traz grande novidade. A novidade está sobretudo no papel da testagem.

A testagem ou momento de validação das hipóteses não visa a confirmação da conjectura, mas a sua refutação. Ou seja é como se o cientista em vez de querer bem à sua hipótese lhe quisesse mal. Esta linguagem não é rigorosa, mas tem o intuito de colocar a tónica na intenção, no propósito do cientista. E o seu propósito é destruir a sua própria teoria.

Física Quântica e Filosofia

É um gato? É um vírus? É uma experiência quântica!

Por Ana Gerschenfeld – PÚBLICO – 25/10/2009


Em 1935, o físico austríaco Erwin Schroedinger imaginou uma experiência conceptual, protagonizada por um gato, para mostrar quão bizarra era a nova mecânica quântica, quando transposta para os objectos quotidianos. Agora, um grupo de cientistas diz que é possível fazer realmente a experiência - com um vírus.

A física quântica é uma verdadeira colecção de bizarrias que desafiam as nossas mais íntimas intuições. À escala dos átomos e das partículas subatómicas, tudo é diferente, tudo fica "desfocado", por assim dizer. Um electrão não é como uma bola de ténis, porque, segundo as leis da mecânica quântica, pode estar em vários sítios diferentes ao mesmo tempo - o que não acontece com a bola de ténis.
Uma pergunta que irrita e fascina há décadas muitos físicos é a seguinte: se é verdade (e ninguém duvida) que os objectos quotidianos são feitos de triliões de partículas quânticas, por que é que as leis da física quântica não se aplicam também a esses objectos? Por que é que não podemos, parafraseando a revistaNew Scientist, estar ao mesmo tempo no jardim a cortar a relva e no supermercado a fazer as compras?
Uma das mais famosas peças da galeria de estranhas propriedades não diz respeito às partículas infinitesimais, mas a um gato... O gato é o protagonista de uma experiência mental, uma pura abstracção, imaginada em 1935 por um dos pioneiros da mecânica quântica, Erwin Schroedinger, precisamente para ilustrar o lado bizarro desta área da física.
Oitenta e poucos anos mais tarde, uma equipa liderada pelos físicos espanhóis Oriol Romero-Isart e Ignacio Cirac, do Instituto Max Planck de Garching, na Alemanha, anunciou agora que quer trocar o gato por um vírus e mostrar que é mesmo possível obrigar um organismo vivo ou quase vivo (se não um gato, pelo menos um vírus) a assumir, em simultâneo, dois estados físicos diferentes. Por enquanto, apenas publicaram a descrição da experiência que tencionam fazer para o conseguir no arXiv.org (um sitede pré-publicação de artigos na área da física). Mas o P2 soube entretanto, junto de Ignacio Cirac, que já submeteram o seu trabalho para publicação na revistaNature.
Paradoxo de Schroedinger
Lá vai então a história do gato. Dentro de uma caixa blindada e opaca, lá está ele. Ao pé, mas inacessíveis ao gato, há um frasco cheio de gás de cianeto, uma amostra de material radioactivo, um martelo e um detector de radiação (estes dois últimos objectos ligados um ao outro por um circuito eléctrico). O material radioactivo tem uma probabilidade de 50 por cento de emitir uma partícula de radiação ao longo de uma hora - e a mesma probabilidade de não emitir nada. Passado esse tempo, se a partícula tiver sido emitida, ela terá sido detectada pelo detector, que terá accionado o martelo, que terá esmagado o frasco, que terá libertado o veneno, que terá morto o gato. Se não tiver sido emitida, nada terá acontecido ao animalzinho de estimação, que continuará vivo.
Só que, como o material radioactivo se rege pelas leis da mecânica quântica, ele pode ter emitido a radiação e não a ter emitido, dando origem ao que os físicos chamam uma "sobreposição" desses dois estados. E como os estados de saúde possíveis do gato estão intrinsecamente ligados a esse fenómeno quântico pelo "mecanismo diabólico" da experiência (a expressão é do próprio Schroedinger), o gato também se encontra, simultaneamente, em dois estados radicalmente diferentes: está vivo e morto ao mesmo tempo.
Um pequeno parêntese: é precisamente a possibilidade de sobreposição de estados que está na base de conceitos como o do computador quântico, que, a existir, seria muitíssimo mais poderoso do que qualquer supercomputador convencional. E, a este propósito, diga-se que Ignacio Cirac é considerado um físico brilhante neste domínio. Uma prova entre muitas outras: recebeu esta semana, juntamente com outros dois físicos, a Medalha Benjamin Franklin da Física 2010 - um dos mais prestigiados prémios do mundo - "pela sua proposta teórica e realização experimental do primeiro dispositivo que faz operações elementares de lógica computacional utilizando as propriedades quânticas dos átomos individuais".
Voltando ao gato, a questão é que Schroedinger quis, através desse paradoxo, criticar a chamada "interpretação de Copenhaga" da mecânica quântica (elaborada, em 1927, por outros dois pioneiros da teoria, Niels Bohr e Werner Heisenberg), que estipula que o mundo das partículas é governado essencialmente pelas probabilidades. Segundo esta interpretação, o que acontece é que, mal a caixa é aberta (ou seja, mal uma observação, ou medição do sistema é efectuada por alguém), os estados quânticos simultâneos "entram em colapso", deixando subsistir apenas um dos dois estados possíveis para a fonte radioactiva e para o gato - morto ou vivo. E tudo volta assim à normalidade. Mas Schroedinger, tal como Albert Einstein, não acreditava que o mundo fosse totalmente indeterminista, aleatório, probabilista; pensava, pelo contrário, que o que se passava com a teoria é que ela não descrevia totalmente o mundo físico, que era incompleta e, por isso, não conseguia conciliar as escalas macroscópica e microscópica do mundo físico.
Hoje em dia, apesar deste tipo de dificuldades, a interpretação de Copenhaga continua a ser a mais largamente aceite pela comunidade dos especialistas. Mas existem também propostas alternativas (que são, contudo, ainda mais parecidas com ficção científica...). Uma delas é a chamada many-worlds interpretation (proposta pelo físico norte-americano Hugh Everett em 1957), que especula que o gato bem pode estar morto e vivo ao mesmo tempo - mas em universos paralelos que não têm qualquer hipótese de comunicar entre eles. No nosso universo, o gato estará por exemplo vivo (ou morto), mas existe, fora do nosso alcance, um outro universo onde se verifica a situação contrária.
"Essa interpretação [de Copenhaga] da mecânica quântica é a comummente aceite", diz-nos por email Carlos Fiolhais, físico da Universidade de Coimbra, "mas levanta algumas dificuldades conceptuais. A maior é talvez que, sendo o estado quântico, em geral, uma sobreposição ou mistura de estados puros (...), é a interacção com o observador que determina o resultado da medida. Este "colapso" da função de onda, esta determinação de um mundo indeterminado feita pelo observador, parece prejudicar a existência de um mundo objectivo independente do observador. O paradoxo do gato de Schroedinger surge neste contexto. A questão é: não será absurdo que seja o observador que, quando abre a caixa para ver o gato, o mata?" Ou, dito por outras palavras, será concebível que a realidade seja tributária da consciência humana?
Uma "ratoeira quântica"
Considerações filosóficas à parte, a experiência à qual Cirac, Romero-Isart e colegas tencionam submeter um vírus é a seguinte, como explicam no seu artigo, que se encontra actualmente acessível através do endereço http://arxiv.org/abs/0909.1469. Primeiro, graças ao campo electromagnético criado por um laser - uma "ratoeira quântica", diz Carlos Fiolhais - vão aprisionar um vírus no vácuo. A seguir, com um segundo laser, vão reduzir os movimentos do vírus até o fazer atingir o seu estado de energia mais baixo - ou seja, até ele parar de se mexer quase por completo. E por último, vão alvejar o vírus com um fotão (uma partícula de luz). Como o fotão é uma partícula quântica (e como tal, pode ao mesmo tempo atravessar o vírus sem surtir qualquer efeito e ser reflectida por ele, imprimindo-lhe um movimento adicional), o dispositivo deverá conseguir colocar o vírus numa superposição quântica de dois estados de movimento.
"Há coisas impossíveis, mas esta não parece ser uma delas", explica-nos ainda Fiolhais. "[Mas] os autores, sabendo que não conseguem "caçar" com gato, "caçam" com um vírus e, em vez de falarem do vírus vivo ou morto, falam de vários estados de vibração do vírus, isto é, querem pôr o vírus a abanar tal como uma corda musical."
Existem vírus capazes de resistir a um tal tratamento? Sim, respondem os autores desta ainda hipotética experiência: por exemplo, os vírus da gripe. Possuem as dimensões adequadas (uma centena de milionésimos de milímetro) e têm as propriedades físicas certas para se comportar de forma quântica: entre outras coisas, não conduzem a electricidade e conseguem resistir ao vácuo durante semanas. O vírus do mosaico do tabaco é um outro candidato. Com mais arrojo ainda, os autores referem mesmo a possibilidade de se vir a utilizar uns bichinhos bem maiores: os tardígrados, uns minúsculos animais, com 1,5 mm de comprimento, que vivem nos musgos, nos locais húmidos, e que também são capazes de sobreviver no vácuo.
Vivo ou não?
Há quem ache que os vírus não são realmente seres vivos e que, portanto, o sucesso da experiência com um vírus não significará que foi possível criar uma sobreposição quântica num ser vivo, ao contrário do que anuncia o título do artigo. "Partículas, átomos, moléculas e grandes moléculas têm-se portado como a mecânica quântica diz que se devem portar", explica-nos Fiolhais. Inclusivamente, frisa, foram feitas experiências de sobreposição quântica com moléculas de futeboleno (carbono 60), que são objectos nanoscópicos tais como os vírus. Ao fim e ao cabo, salienta este cientista, "um vírus não passa de uma molécula grande e complexa" e "é discutível se se lhe deve chamar um organismo vivo". "Digamos que está na transição entre o não-vivo e o vivo."
Martin Plenio, físico do Imperial College de Londres, citado pelaNature numa notícia acerca desta pré-publicação, é da mesma opinião: "Estou totalmente convencido que os vírus se comportariam exactamente da mesma forma que as moléculas inorgânicas."
O que não impede, segundo ele, que a experiência seja interessante, na medida em que pode "ajudar os físicos a determinar onde acaba o mundo quântico e onde começa o nosso mundo macroscópico".
"A questão é precisamente até onde é que essas leis [quânticas] são válidas", diz-nos por seu lado, também via email, Yasser Omar, especialista de física quântica da Universidade Técnica de Lisboa. "Recentemente, tem havido um progresso notável e tem vindo a descobrir-se que os efeitos quânticos sobrevivem em objectos muito maiores do que se imaginava, ainda que à escala nanoscópica." E não só. "Foi demonstrada a existência de efeitos quânticos no processo de fotossíntese", acrescenta Omar, "em moléculas grandes, à temperatura ambiente... e em sistemas vivos". "Trata-se de resultados muito recentes, que vêm mais uma vez empurrar a fronteira do mundo quântico (...). O artigo do Cirac é mais uma contribuição nesta direcção (...)."
E acrescenta, com um entusiasmo palpável: "Criar uma sobreposição quântica num ser vivo, como um vírus, a temperatura ambiente, seria um resultado de grande espectacularidade, que demonstraria que a fronteira entre a física quântica e a física clássica está muito para além do que se pensava. (...) Não deixaria de ser uma surpresa para a esmagadora maioria dos físicos e seria certamente um resultado candidato ao Prémio Nobel. Mas o mais interessante é que, se tais resultados forem observados, abrem-se desafios extremamente interessantes para os físicos resolverem. Como, por exemplo, explicar como é que os sistemas quânticos são robustos [não são perturbados] ao ruído exterior - o que poderá ser uma contribuição crucial para a construção de um computador quântico -, e descobrir até onde se podem observar efeitos quânticos, em particular em sistemas ou seres vivos maiores. A priori, poderá não haver nenhuma limitação fundamental à realização deste tipo de experiências com objectos maiores."
Questões filosóficas
Concluem os autores do artigo: "Esperamos que as experiências propostas sejam um primeiro passo para abordar experimentalmente questões fundamentais, tais como o papel da vida e da consciência na mecânica quântica - e até as implicações nas nossas interpretações da mecânica quântica." E, numa versão anterior do texto (que esteveonlineaté há uns dias), também escreviam que, a confirmar-se que um ser vivo pode assumir sobreposições quânticas, poderia mesmo haver maneiras de testar a validade das diferentes interpretações da teoria, nomeadamente a de Copenhaga e a dos multiversos (many-worlds), já aqui referidas.
Carlos Fiolhais mostra-se céptico. "A confusão que podemos ter sobre o comportamento de objectos nanoscópicos", diz-nos, "é natural, pois não estamos habituados ao comportamento do micromundo. (...) "[Mas] não penso que a experiência do vírus possa iluminar questões filosóficas do tipo das que são levantadas pela teoria quântica."
Até porque "o paradoxo [de Schroedinger] pode ser ultrapassado dizendo que falamos de probabilidade de gato morto e probabilidade de gato vivo", explica ainda, "e que, se tivermos muitas caixas com gatos, encontraremos uns vivos e outros mortos na proporção indicada pelas probabilidades". "Esta é uma maneira satisfatória, quanto a mim, de ver o problema [e evita] algumas complicações que vêm da interpretação de Copenhaga. Não é um gato que está meio vivo, meio morto como umzombie, mas um conjunto de gatos que estarão uns vivos e outros mortos. E, quando eu digo que encontramos gatos vivos e mortos, não estou a dizer que o olhar os mata..." E nós arriscamo-nos a acrescentar: também não significa que pertencem a universos paralelos...
"Eu diria", prossegue Fiolhais, "que há um contínuo entre o micromundo das partículas, átomos e moléculas e o nosso macromundo. A teoria quântica não é eterna, poderá um dia ser ultrapassada por outra que a englobe, mas duvido que possa ser ultrapassada por experiências do tipo da que ora foi proposta... O mais natural é que se confirmem as previsões da teoria quântica e, assim, não se avance muito. Para avançar ter-se-ia de encontrar uma falha de previsão, algo que nem Schroedinger, nem Einstein, nem ninguém depois deles conseguiu. Apesar de todas as dificuldades conceptuais, a teoria quântica está bem e recomenda-se."