Sonhos e angústias na unificação da física

A história da física pode ser contada como uma busca pela simplificação, por uma descrição compacta da enorme variedade de fenômenos naturais. Tanto assim que teorias são julgadas pela sua capacidade de descrição de uma grande variedade de fenômenos; as "melhores" teorias são aquelas que, usando apenas alguns princípios básicos, abrem as portas para diversas possibilidades.

Embora não exista uma definição óbvia de unificação, as grandes teorias da física são unificadoras, isto é, descrevem aspectos aparentemente diversos da natureza a partir de uma estrutura conceitual e matemática única. Um exemplo bem conhecido é a teoria da gravitação universal, publicada em 1687. Nela, Isaac Newton mostra que a força que move os planetas em órbita em torno do Sol é a mesma que promove a queda de objetos aqui na Terra. Newton unificou a física dos céus e a terrestre, antes consideradas domínios completamente diferentes.

Já no século 19, Michael Faraday e James Clerk Maxwell obtiveram outra unificação profunda dos fenômenos naturais, ao desenvolver a teoria do eletromagnetismo, em que fenômenos elétricos e magnéticos são vistos como manifestações de um único campo eletromagnético e não como fenômenos separados. Portanto, uma corrente elétrica fluindo em um fio traz um campo magnético (o leitor pode testar isso ao colocar uma bússola perto de um fio elétrico e observar que o ponteiro se move quando há corrente - mas cuidado para não levar choque!), enquanto um campo magnético dependente do tempo cria um campo elétrico (por exemplo, um ímã em movimento cria corrente elétrica em um fio).

Tanto Newton quanto Faraday e Maxwell foram muito influenciados por suas visões filosófico-religiosas; eles acreditavam que a natureza, em seu nível mais fundamental, é essencialmente simples, e que a complexidade que observamos no mundo pode ser compreendida com apenas algumas leis básicas.

O eletromagnetismo de Faraday e Maxwell trouxe o conceito de "campo" para a física. Nós estamos cercados de campos por todos os lados! Forças são produzidas por campos; quando aproximamos uma massa pequena de uma massa bem grande, a massa pequena sente o puxão da força gravitacional; quando aproximamos uma carga negativa de outra positiva, a negativa é atraída em direção à carga positiva. Essas forças de atração ocorrem pela presença de campos (a massa grande e a carga positiva também são atraídas).

Em 1916, Einstein propôs uma nova teoria da gravitação, a teoria da relatividade geral, em que mostrou que a força gravitacional é equivalente a uma curvatura do espaço (na verdade, do espaço-tempo) em torno de uma concentração de massa; do mesmo modo que uma bola de chumbo colocada sobre um colchão irá curvá-lo, massas grandes curvam a geometria à sua volta. Portanto, massas menores irão "sentir" a presença dessas massas ao se mover no espaço curvo à sua volta.

Sua teoria era tão elegante sob o ponto de vista conceitual e matemático, que Einstein partiu em busca de uma nova unificação, entre a gravitação e o eletromagnetismo, usando sua nova linguagem geométrica. Foram décadas de tentativas, de ilusões e de frustração. Paralelamente ao esforço de Einstein, outros físicos tentaram usar espaços com mais dimensões para unificar as duas forças. A chamada teoria de Kaluza-Klein usa cinco dimensões, quatro espaciais e uma temporal para unificar a gravitação ao eletromagnetismo.

Hoje, sabemos que há duas outras forças fundamentais, as forças nucleares forte e fraca. Os esforços de Einstein, Theodor Kaluza e Oskar Klein continuam a inspirar a unificação das forças, onde espaços de mais de quatro dimensões e outros ingredientes, como as supercordas, são usados para atingir o objetivo final. Mas essa busca vai ter que ficar para outra coluna.