Ler AC Grayling desembrulhar a filosofia por trás da experimentação

Se uma teoria científica é elegante, e é consistente com fatos conhecidos, ela precisa ser testada por experiência? O conhecimento científico é suposto ser empírico: para ser aceite como científica, uma teoria deve ser falsificável – isto é, deve ser possível, pelo menos em princípio, refutá-la empiricamente. Este argumento foi avançado em 1934 por Karl Popper, o filósofo, e é geralmente aceite pela maioria dos cientistas de hoje como determinante do que é e não é uma teoria científica.

Nos últimos anos, contudo, muitos físicos desenvolveram teorias de grande elegância matemática, mas que estão além do alcance da falsificação empírica, mesmo em princípio. A questão desconfortável que se coloca é se elas ainda podem ser consideradas como ciência. Alguns cientistas estão propondo que a definição do que é “científico” seja afrouxada, enquanto outros temem que isso possa abrir a porta para pseudo-cientistas ou charlatões enganarem o público e reivindicarem espaço igual para as suas opiniões.

A questão de saber se idéias científicas altamente teóricas podem ser submetidas a testes experimentais é uma questão para as idéias mais avançadas e poderosas do mundo da física. A teoria das cordas e a ideia do “multiverso” – a existência de múltiplos universos – são duas teorias principais que tentam explicar as características mais fundamentais do mundo físico. Ambas as ideias têm um imenso apelo teórico. A teoria das cordas não é intrínsecamente testável – mas ainda não houve sucesso. Em termos experimentais, pode-se imaginar alguma tecnologia futura que é, em teoria, pelo menos capaz de acelerar as partículas para o que é conhecido como a escala energética de Planck. Este é um nível de energia mil trilhões de vezes maior do que o que pode ser produzido no Grande Colisor de Hadrões (LHC) e o ponto em que as implicações da teoria das cordas são previstas para se manifestarem. A teoria do Multiverso apresenta obstáculos aparentemente insuperáveis para experimentar, uma vez que outros universos são intrinsecamente impossíveis de detectar, embora mesmo aqui, os físicos estejam sugerindo maneiras de inferir sua existência.

A física está se movendo para uma era em que a elegância será suficiente e para o domínio de teorias que estão além do alcance da prova experimental? Ou será a evidência empírica o árbitro da ciência?

A teoria das cordas é uma tentativa de desenvolver uma teoria unificada de partículas e forças, e que entrou em cena pela primeira vez há 30 anos. A teoria postula que entidades unidimensionais minúsculas – cordas – existem em dimensões mais elevadas do que as actualmente conhecidas por nós, e que estes estranhos fenómenos de alta dimensão estão subjacentes a toda a física. Desde o seu desenvolvimento, as técnicas da teoria das cordas têm sido amplamente e com sucesso utilizadas pelos matemáticos. Mas a motivação original – criar uma teoria científica que unifica as leis que regem o comportamento das partículas e das forças – está paralisada. Segundo o cosmólogo George Ellis, ex-professor da Universidade da Cidade do Cabo e autoridade mundial sobre a física do cosmos, a teoria das cordas é “uma exploração das fascinantes estruturas matemáticas que podem ou não estar relacionadas com o universo físico”. Assim, em termos da sua aplicabilidade ao universo real, é ciência hipotética e não ciência testável”

Frank Wilczek, professor de física do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e vencedor do Prêmio Nobel de Física de 2004, descreve a situação atual assim: “A comunidade da teoria das cordas contém muitos indivíduos sérios e dotados que estão tentando entender a natureza, e seria loucura excluí-los da ciência. Mas para mim, as partes da ciência que usam alguns pressupostos para explicar muito sobre o mundo são as mais impressionantes e importantes, e dessa perspectiva a teoria das cordas poderia usar melhorias”

O desafio feito por Wilczek e Ellis é se a evidência para apoiar a teoria das cordas poderia alguma vez ser encontrada através da experiência. Uma linha de investigação diz respeito a uma tábua central da teoria. Isto sustenta que cada partícula de matéria, como elétrons ou quarks, tem um parceiro entre as partículas que transmitem forças – “bósons” como o fóton e os gluons. Esta propriedade é conhecida como super-simetria. Wilczek observa que ela é “um ingrediente importante na teoria das cordas”. Portanto, a descoberta dela, embora não evidência, seria encorajadora”
No entanto, a evidência da super-simetria ainda não foi detectada no LHC, o acelerador de partículas na fronteira franco-suíça, que é a instalação de maior energia do mundo e, portanto, a melhor equipada para testar isso. Em Julho de 2012, o acelerador teve um triunfo muito publicitado quando confirmou a existência do bosão de Higgs, a partícula que dá a algumas partículas fundamentais a sua massa.

A descoberta foi de tal importância porque completou o “modelo padrão” de partículas e forças: a teoria central que os físicos desenvolveram sobre os blocos de construção fundamentais da natureza. No entanto, não há atualmente nenhuma evidência empírica que suporte qualquer física – como a super-simetria – que esteja fora do modelo padrão. Para seguir a orientação de Popper sobre o que é científico, teríamos que dizer que a teoria das cordas atualmente está fora da ciência.

No entanto, os físicos estão otimistas que um avanço pode ser feito em breve na busca de um tipo particular de matéria conhecida como “partículas escuras”. A supersimetria prevê a existência de partículas cujas propriedades podem ser consistentes com as da matéria escura. Assim, se os cientistas pudessem encontrar evidência de matéria escura, isto apoiaria a teoria da super-simetria e contaria como um primeiro passo para fornecer uma base empírica para a teoria das cordas.

Os físicos há muito que observam que os movimentos das estrelas e as interações das galáxias sugerem que elas sentem mais força gravitacional do que a que pode ser explicada pelas estrelas visíveis. Pensa-se que esta força gravitacional em falta seja exercida por matéria escura.

Wilczek está otimista de que o LHC possa fornecer um avanço. Suas esperanças são ecoadas por Rolf-Dieter Heuer, o Diretor Geral da Cern, que opera o LHC. Em sua opinião, a maior energia do LHC reformado “abrirá uma janela para direcionar as descobertas para além do modelo padrão”. Na opinião de Steven Weinberg, o Prêmio Nobel cujo trabalho foi central para o desenvolvimento do modelo padrão, a descoberta das partículas de matéria escura seria “a mais excitante de todas”

Na teoria, então, a ciência poderia encontrar provas da validade da super-simetria. O mesmo vale para a matéria negra. Nenhuma delas confirmaria a teoria das cordas, mas elas seriam um primeiro passo. A idéia é, então, em princípio, aberta a testes empíricos.

Teoria do Multiverso, no entanto, é mais problemática. Como não há possibilidade de comunicação entre nós e outros universos, não existe uma forma empírica de testar a teoria do multiverso. George Ellis faz o ponto explicitamente: “Num modelo multiverso geral, tudo o que pode acontecer acontecerá em algum lugar, então qualquer dado que possa ser acomodado. Portanto, não pode ser desmentido por nenhum teste de observação”. Por implicação, o conceito de multiverso está fora da ciência.

“As ferramentas matemáticas permitem-nos investigar a realidade, mas os conceitos matemáticos em si não implicam necessariamente a realidade física”

“Pois enquanto os seres humanos perseguiram a ciência, eles tentaram compreender o universo. Wilczek diz: “A física moderna implica que é plausível que o mundo físico possa existir em formas qualitativamente diferentes, semelhantes em espírito a como a água pode existir como gelo, água líquida ou vapor. Essas diferentes formas… podem, de fato, implementar diferentes leis da física. Se existem regiões tão diversas do espaço, então o ‘universo’ como o definimos não é o todo da realidade. Chamamos ao conjunto da realidade o multiverso”

Ellis e seu colega cosmólogo Joe Silk, professor da Université de Pierre et Marie Curie em Paris, chamam a isto “um multiverso caleidoscópico compreendendo uma miríade de universos”. Eles, como representantes de muitos físicos, colocam então o desafio básico: a sugestão de que outro universo não precisa ter as mesmas constantes fundamentais da natureza que a nossa inspira a questão do que determina os valores do nosso universo. Da variedade de universos que poderiam existir, as condições para a estreita gama de parâmetros para os quais a vida inteligente poderia existir são triviais. As probabilidades de existirmos são, por isso, tão reduzidas que a teoria do multiverso afirma que existe uma “paisagem” de universos “lá fora”, na qual todos os valores possíveis desses parâmetros existem. Assim, um universo existirá em algum lugar com condições justas para a vida, e nós somos a prova.

Weinberg aceita que o multiverso é improvável de ser confirmado por observações no nosso “subuniverso” específico. Mas ele argumenta que isto não é necessariamente fatal para a validade científica da teoria. “A idéia do multiverso é muito especulativa”, diz ele, “mas não é uma especulação totalmente irrazoável”. A existência de um multiverso pode algum dia ser confirmada deduzindo-a de uma teoria que é confirmada pelo sucesso de outras previsões suficientes”

Nesta linha, Wilczek aponta que as teorias científicas ainda podem ser úteis mesmo quando são apenas parcialmente compreendidas. Ele diz: “É muito comum e prática bem sucedida trabalhar com estruturas teóricas muito mais vastas do que o que podemos observar sobre elas”. Um exemplo que ele cita é a teoria quântica, uma ferramenta básica em física teórica, que está cheia de conceitos que parecem contradizer a nossa noção intuitiva de como as coisas se comportam. Muitos teóricos, inclusive eu mesmo, não se sentem à vontade com seus fundamentos, mas conseguem aplicar sua matemática com confiança e sucesso empírico. A teoria da mecânica quântica é ciência porque, em princípio, pode ser refutada. Ela sobreviveu a inúmeros testes, e fez inúmeras previsões de sucesso. Ellis e Silk nos lembram que o multiverso pode ser um dispositivo matemático conveniente, mas isso não requer que esses universos tenham “realidade”. Eles conduzem este lar lembrando o aviso do matemático alemão David Hilbert: “Embora o infinito seja necessário para completar a matemática”, disse ele, “ela não ocorre em nenhum lugar do universo físico”. As ferramentas matemáticas permitem-nos investigar a realidade, mas os conceitos matemáticos em si não implicam necessariamente a realidade física. Assim, a evidência em apoio a uma teoria tem que ser experimental ou observacional, não simplesmente teórica. Ellis e Silk fazem este ponto poderosamente, e advertem contra a noção de que “as descobertas teóricas reforçam a crença”. Eles nos lembram: “As experiências provaram que muitas teorias bonitas e simples estão erradas.”

Wilczek dá um exemplo de uma dessas teorias no seu livro Uma Bela Questão. No século XVII, o astrônomo alemão Johannes Kepler convenceu-se de que ele tinha desenvolvido um modelo da estrutura do sistema solar. Sua “teoria” tinha uma beleza sedutora e geométrica que convenceu Kepler de que ele tinha tropeçado no plano de Deus. Ele escreveu: “Sinto-me levado e possuído por um arrebatamento indescritível sobre o espetáculo divino da harmonia celestial”. Mas a sua teoria era falsa – o modelo planetário de Kepler acabou por ser minado, sobretudo pela descoberta de outros planetas. No entanto, como Wilczek nos lembra, embora Kepler estivesse errado na sua descrição do arranjo dos planetas, ele foi preciso na sua descrição do movimento deles – que as órbitas planetárias não são círculos, mas elipses, e que o sol não está no centro da elipse, mas localizado em um “foco” da elipse. Esses insights inspiraram Isaac Newton a desenvolver sua lei da gravidade.

Podemos esperar por um paralelo moderno: que os arrebatadores sobre a teoria das cordas inspirem os experimentalistas do LHC à descoberta da super-simetria. Isto, por sua vez, pode resolver o mistério da matéria negra, cuja existência era suspeita pela aparente recusa dos movimentos das galáxias de estrelas em obedecer às regras de Kepler e Newton. Ou, talvez, a supersimetria e as partículas escuras se recusem a aparecer no LHC, porque elas não existem. Ser excluído por experiência seria um revés, mas seria um revés científico. No grande projeto humano de compreender melhor as leis físicas que regem o comportamento da matéria e das forças, contaria como progresso.