34.7: Algumas perguntas que sabemos fazer

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Identifique exemplos de perguntas a serem feitas nas maiores escalas.
• Identifique exemplos de perguntas a serem feitas na escala intermediária.
• Identifique exemplos de perguntas a serem feitas nas menores escalas.

Ao longo do texto, notamos como é essencial ser curioso e fazer perguntas para primeiro entender o que se sabe e depois ir um pouco mais longe. Algumas perguntas podem ficar sem resposta por séculos; outras podem não ter respostas, mas algumas dão frutos deliciosos. Parte da descoberta é saber quais perguntas fazer. Você precisa saber algo antes mesmo de formular uma pergunta decente. Como você deve ter notado, o simples ato de fazer uma pergunta pode lhe dar a resposta. As perguntas a seguir são uma amostra das perguntas que os físicos agora sabem fazer e são representativas das vanguardas da física. Embora essas perguntas sejam importantes, elas serão substituídas por outras se forem encontradas respostas para elas. A diversão continua.

Na maior escala

1. O universo está aberto ou fechado? Os teóricos gostariam que fosse um pouco fechado e as evidências estivessem crescendo para essa conclusão. Medições recentes na taxa de expansão do universo e no CMBR suportam um universo plano. Há uma conexão com a física de pequena escala no tipo e número de partículas que podem contribuir para fechar o universo.
2. O que é matéria escura? Definitivamente está lá, mas realmente não sabemos o que é. As possibilidades convencionais estão sendo descartadas, mas uma delas ainda pode explicar isso. A resposta pode revelar reinos totalmente novos da física e a possibilidade perturbadora de que a maior parte do que está lá fora seja desconhecido para nós, uma forma completamente diferente de matéria.
3. Como as galáxias se formam? Eles existem desde o início da evolução do universo e ainda é difícil entender como eles evoluíram tão rapidamente. As recentes medições mais precisas das flutuações no CMBR ainda podem nos permitir explicar a formação de galáxias.
4. Qual é a natureza dos buracos negros de várias massas? Só recentemente nos tornamos confiantes de que muitos candidatos a buracos negros não podem ser explicados por outras possibilidades menos exóticas. Mas ainda não sabemos muito sobre como eles se formam, qual foi seu papel na história da evolução galáctica e a natureza do espaço em sua vizinhança. No entanto, muitos buracos negros são agora conhecidos que as correlações entre a massa do buraco negro e as características dos núcleos galácticos estão sendo estudadas.
5. Qual é o mecanismo para a produção de energia dos quasares? Esses objetos distantes e extraordinariamente energéticos agora parecem ser os estágios iniciais da evolução galáctica com um material supermassivo que devora buracos negros. Agora estão sendo feitas conexões com galáxias com núcleos energéticos, e há evidências consistentes com buracos negros supermassivos e menos consumidores no centro de galáxias mais antigas. Novos instrumentos estão nos permitindo ver mais profundamente nossa própria galáxia em busca de evidências de nosso próprio buraco negro massivo.
6. De onde vêm as\(\gamma\) explosões? Vemos rajadas de\(\gamma\) raios vindo de todas as direções do espaço, indicando que as fontes são objetos muito distantes e não algo associado à nossa própria galáxia. Algumas\(\gamma\) explosões finalmente estão sendo correlacionadas com fontes conhecidas, de modo que a possibilidade de elas se originarem em interações binárias de estrelas de nêutrons ou buracos negros comendo uma estrela de nêutrons companheira possa ser explorada.

Na escala intermediária

1. Como as transições de fase ocorrem na escala microscópica? Sabemos muito sobre transições de fase, como o congelamento de água, mas os detalhes de como elas ocorrem molécula por molécula não são bem compreendidos. Perguntas semelhantes sobre calor específico, há um século, levaram ao início da mecânica quântica. É também um exemplo de um sistema adaptativo complexo que pode gerar insights sobre outros sistemas auto-organizados.
2. Existe uma maneira de lidar com fenômenos não lineares que revelem conexões subjacentes? Os fenômenos não lineares carecem de uma proporcionalidade direta ou linear que torna a análise e a compreensão um pouco mais fáceis. Há implicações para a óptica não linear e tópicos mais amplos, como o caos.
3. Como os\(T_{c}\) supercondutores altos se tornam sem resistência em temperaturas tão altas? Entender como eles funcionam pode ajudar a torná-los mais práticos ou pode resultar em surpresas tão inesperadas quanto a descoberta da própria supercondutividade.
4. Existem efeitos magnéticos em materiais que não entendemos — como eles funcionam? Embora, além do escopo deste texto, haja muito a aprender em física da matéria condensada (a física de sólidos e líquidos). Podemos encontrar surpresas análogas ao laser, ao efeito Hall quântico e à quantização do fluxo magnético. A complexidade também pode desempenhar um papel aqui.

Na menor escala

1. Os quarks e léptons são fundamentais ou têm uma subestrutura? Os aceleradores de energia mais altos que estão acabando de ser concluídos ou sendo construídos podem fornecer algumas respostas, mas também haverá contribuições da cosmologia e de outras sistemáticas.
2. Por que os léptons têm carga integral enquanto os quarks têm carga fracionária? Se ambas são fundamentais e análogas ao pensamento, essa pergunta merece uma resposta. Obviamente, está relacionado à pergunta anterior.
3. Por que existem três famílias de quarks e léptons? Primeiro, isso implica algum relacionamento? Segundo, por que três e apenas três famílias?
4. Todas as forças são realmente iguais (unificadas) sob certas circunstâncias? Eles não precisam ser iguais só porque queremos que sejam. A resposta pode ter que ser obtida indiretamente por causa da energia extrema na qual achamos que eles estão unificados.
5. Existem outras forças fundamentais? Houve uma enxurrada de atividades com reivindicações de uma quinta e até uma sexta força há alguns anos. Os juros diminuíram, uma vez que essas forças não foram detectadas de forma consistente. Além disso, as forças propostas têm forças semelhantes à gravidade, tornando-as extraordinariamente difíceis de detectar na presença de forças mais fortes. Mas a questão permanece; e se não há outras forças, precisamos perguntar por que apenas quatro e por que essas quatro.
6. O próton é estável? Discutimos isso com alguns detalhes, mas a questão está relacionada a aspectos fundamentais da unificação de forças. Talvez nunca saibamos por experiência própria que o próton é estável, só que tem vida muito longa.
7. Existem monopolos magnéticos? Muitas teorias de partículas exigem partículas individuais muito massivas dos pólos norte e sul — monopolos magnéticos. Se eles existem, por que eles são tão diferentes em massa e elusividade das cargas elétricas, e se não existem, por que não?
8. Os neutrinos têm massa? Surgiram evidências definitivas de que neutrinos têm massa. As implicações são significativas, conforme discutido neste capítulo. Há efeitos no fechamento do universo e nos padrões da física de partículas.
9. Quais são as características sistemáticas dos\(Z\) núcleos altos? Todos os elementos com\(Z = 118\) ou menos (com exceção de 115 e 117) já foram descobertos. Há muito se conjectura que pode haver uma ilha de relativa estabilidade próxima\(Z = 114\), e o estudo dos núcleos descobertos mais recentemente contribuirá para nossa compreensão das forças nucleares.

Essas listas de perguntas não pretendem ser completas ou consistentemente importantes — você mesmo pode, sem dúvida, adicioná-las. Também há questões importantes em tópicos não abordados neste texto, como certas simetrias de partículas, que são de interesse atual dos físicos. Espero que a questão seja clara: não importa o quanto aprendamos, sempre parece haver mais para saber. Embora tenhamos a sorte de ter a sabedoria arduamente conquistada por aqueles que nos precederam, podemos esperar uma nova iluminação, sem dúvida salpicada de surpresa.

Resumo

• Em grande escala, as perguntas que podem ser feitas podem ser sobre matéria escura, energia escura, buracos negros, quasares e outros aspectos do universo.
• Na escala intermediária, podemos consultar sobre gravidade, transições de fase, fenômenos não lineares,\(T_{c}\) supercondutores altos e efeitos magnéticos nos materiais.
• Na menor escala, as perguntas podem ser sobre quarks e léptons, forças fundamentais, estabilidade dos prótons e existência de monopolos.