A carinha feliz de um dos maiores físicos do história da humanidade estaria assim depois de ler essa matéria? Você responde!

David Harris
New Scientist*

Em maio de 2001, Giovanni Amelino-Camelia iniciou discretamente uma revolução. Não parecia muito: apenas um trabalho de oito páginas publicado na "Physics Letters B". Mas era uma dinamite científica. A teoria especial da relatividade de Einstein, que descreve o comportamento do espaço, do tempo, e os une como um "espaço-tempo", tem sido passada de geração em geração como um fato imutável. Ela é apoiada por uma grande quantidade de evidências experimentais. Mas, segundo Amelino-Camelia, Einstein pode ter apresentado apenas metade da história. Nem precisa ser dito que esta é uma afirmação muito controversa. Mas desde a publicação de seu estudo, Amelino-Camelia tem se tornado mais confiante em relação a ela.

Teoria e experiência oferecem indícios tentadores de que a teoria de Einsten pode estar necessitando de uma revisão, diz ele. E ele não é o único. Outros físicos estão se unindo atrás de sua bandeira e se juntando à cruzada contra a aceitação reverente da relatividade especial. "A religião da relatividade especial está morta", ele declara. Baseado na Universidade La Sapienza em Roma, Amelino-Camelia estuda a gravidade quântica -uma tentativa de mesclar a relatividade com a teoria quântica e assim produzir uma descrição consistente do Universo.

Os pesquisadores neste campo começaram a sentir um certo desconforto com a relatividade em sua forma presente há muito tempo: está se mostrando extremamente difícil uni-la à mecânica quântica. A evidência experimental ofensora surgiu na forma de raios cósmicos detectados no Japão, com energias tão altas que a relatividade especial diz que não deveriam existir. Foi o que faltava para Amelino-Camelia. "Eu acho que os dados de raios cósmicos me colocam na posição de questionar o dogma da relatividade especial", diz ele.

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Detector de raios cósmicos no Japão: faltam explicações

Este foi um caminho arriscado de se tomar, mas isto o levou a uma nova forma de relatividade. Não apenas isto fornece uma nova rota para união das leis da física, como também é consistente com todas as observações disponíveis e poderá ser testada diretamente no futuro próximo. Ela começa com apenas uma idéia: que deve haver alguma escala na qual espaço e tempo não podem mais ser descritos de acordo com as regras clássicas familiares, começando a se comportar de forma quântica.

Esta transição marca uma fronteira onde as regras do jogo começam a mudar, e podem se manifestar como uma quantidade particular de energia ou um comprimento particular. Para os físicos, comprimento e energia estão vinculados: a energia de um fóton, por exemplo, dita o comprimento de onda de sua luz. Isto não soa como grande coisa. Mas esta idéia aparentemente inócua está em conflito direto com a relatividade especial. Pegue a idéia de um limiar de comprimento, por exemplo.

Segundo a teoria de Einstein, o comprimento de algo depende de quem o está medindo. Se você ficar parado e medir o comprimento de uma partícula passando por você perto da velocidade da luz, você acharia seu comprimento bem menor do que se ela estivesse simplesmente passando vagarosamente. Isto se chama contração de Lorentz, e depende de como o observador está se movendo em relação ao objeto: outra pessoa passando por você enquanto a partícula passa mediria um comprimento diferente.

O conflito se torna claro quando você imagina que a partícula sob observação seja ligeiramente mais longa do que o limiar de comprimento. Segundo Einstein, observadores se movendo em uma direção a veriam se contraindo abaixo do limiar de comprimento, enquanto para outros, se movendo em direção diferente, seu comprimento permaneceria acima do limiar. Quando os observadores formularem o comportamento da partícula, eles chegarão a respostas diferentes porque alguns a teriam visto se movendo no espaço-tempo clássico, e outros a veriam se movendo na versão quântica. Em outras palavras, as leis da física parecerão diferentes para pessoas diferentes. E, se desejamos ter uma descrição apropriada da forma como o Universo se comporta, isto simplesmente não é possível.

Há outro problema: em qual estrutura de referência você define o limiar de comprimento em primeiro lugar? Se uma pessoa diz, "é deste comprimento" e aponta para um determinado comprimento, a relatividade especial diz que o comprimento parecerá diferente para observadores em estruturas móveis de referência. A solução de Amelino-Camelia para tudo isto é tornar o limiar de comprimento ou energia "constante" -ela parece a mesma para todos os observadores. Desta forma, todos os observadores concordarão se uma partícula tem ou não energia e comprimento acima ou abaixo do limiar.

Combinando constantes

E onde poderia estar este limiar? Para os físicos, a escala mais óbvia para investigar é a determinada pela combinação das constantes fundamentais da teoria da relatividade e quântica: a constante de Planck h, a constante gravitacional G e a velocidade da luz c. Combinando-as de certa forma, você obtém um comprimento: o comprimento de Planck. Combinando-as de outro jeito, elas produzem a energia de Planck. Estas escalas são o lugar natural onde esperar que a teoria da relatividade e quântica se misturem. O trabalho de Amelino-Camelia na "Physics Letters B" mostrou que esta abordagem poderia ser desenvolvida em uma nova teoria consistente com todos os requisitos da gravidade quântica.

Ele chamou esta revolução [de "relatividade especial dupla"] (doubly special relativity, DSR). Onde a teoria de Einstein tinha um limiar intransponível -nenhuma partícula com massa poderia acelerar além da velocidade da luz- a de Amelino-Camelia tem duas: a velocidade da luz e o novo limiar intransponível de comprimento ou energia. Logo após o aparecimento do trabalho, dois outros pesquisadores perceberam que Amelino-Camelia pode ter inadvertidamente iniciado a solucionar seus problemas.

Joo Magueijo, um teórico que trabalha na Imperial College, em Londres, estava formulando uma explicação da evolução do Universo. Ela oferecia uma alternativa à "inflação", a idéia de que o Universo passou por um período de expansão muito rápido logo após o big bang. Mas havia um alto preço a pagar: a idéia de Magueijo dependia da velocidade da luz ser variável -uma contradição direta à teoria de Einstein. Ele sugeria que a velocidade da luz estava se desacelerando desde o big bang. Magueijo admite que, apesar disto de lá para cá ter se mostrado de acordo com alguns outros dados astronômicos inexplicáveis de outra forma, esta velocidade da luz variável foi conjurada do nada.

Felizmente, a relatividade especial dupla de Amelino-Camelia forneceu uma explicação. A introdução de um limiar de energia à relatividade produz uma mudança estranha: na DSR a velocidade da luz depende da energia dos fótons envolvidos. No enorme calor do início do Universo, as partículas tinham energias muito elevadas e assim, segundo a DSR, a velocidade da luz era um tanto mais elevada do que a que observamos em nossas experiências presentes. Era exatamente o que Magueijo estava procurando. E, por coincidência, um colega trabalhando no mesmo prédio também ficou empolgado com as idéias de Amelino-Camelia. Lee Smolin, atualmente no Instituto Perimeter de Física Teórica, em Waterloo, Canadá, passou 10 anos desenvolvendo uma teoria [de "loop de gravidade quântica"], onde o próprio tecido do espaco-tempo é composto de minúsculos pacotes, ou quanta, unidos em uma espécie de espuma.

A teoria estava progredindo bem, mas Smolin ainda enfrentava alguns problemas: os resultados de alguns poucos cálculos entravam em conflito direto com as exigências da relatividade especial. "Por cerca de 10 anos eu fiquei confuso", diz ele.

Mudando a visão

Ocorreu a Smolin que a resposta poderia ser supor que o comprimento de Planck parecesse o mesmo para todos os observadores, mas ele admitiu que não sabia como desenvolver uma teoria da relatividade que pudesse lidar com isso. Foi Magueijo que o persuadiu que podia -e devia- ser feito. "Eu não tinha a idéia, ou a coragem, para tentar formular isto concretamente antes de trabalhar com Joo", diz Smolin. Smolin e Magueijo logo desenvolveram sua própria DSR -de fato, eles mostraram que vários tipos diferentes de teorias DSR podiam ser construídas.

Agora há uma série de variações DSR, cada uma emendando o trabalho de Einstein, e até mesmo oferecendo sua própria versão da famosa relação E=mc2. Magueijo, Smolin e Amelino-Camelia estão agora trabalhando juntos neste abordagem revolucionária. E o que esta teoria recém-nascida diz sobre o nosso Universo? O princípio básico de Einstein -de que mantemos uma velocidade invariável- permanece. Mas todas as experiências disponíveis para Einstein consideravam a luz com comprimento de onda longo e baixa energia. E assim a velocidade constante que ele interpretou genericamente como "velocidade da luz" é descrita na DSR como velocidade de partículas de luz de baixa energia.

É permitido que as partículas de luz de alta energia viagem ligeiramente mais rápido. E assim como os objetos possuem velocidades diferentes para observadores diferentes na relatividade especial, na DSR qualquer coisa que viaja a menos do que a velocidade constante pode parecer mudar de velocidade. Além disso, onde a relatividade especial permite que fótons se que movam à velocidade da luz pareçam ser de cores diferentes para diferentes observadores, a DSR vai um pouco além. Cores diferentes viajam em velocidades diferentes. Isto porque diferentes comprimentos de onda correspondem a energias diferentes -e na DSR, isto afeta a velocidade da luz. Estas características sozinhas podem mudar a face da cosmologia padrão.

Por mais de 20 anos, os cosmólogos têm construído o modelo de inflação da história do Universo. Ele foi apresentado para explicar o motivo do Universo ser tão uniforme em temperatura e densidade. Com uma velocidade da luz finita, há um limite para a taxa na qual as partículas e a radiação podem se espalhar por algo do tamanho do Universo, assim como poderia ter atingido o equilíbrio relativo que observamos? Se tudo estivesse compactado (e portanto em contato físico) antes da repentina expansão, a uniformidade não seria um problema. Mas apesar da inflação explicar algumas das características e história do Universo, ela apresenta limitações.

A DSR, por outro lado, explica tudo que a inflação explica, e mais. Na DSR, as altas energias dos primórdios do Universo faziam com que a luz viajasse mais rápido do que agora. Partes do Universo que atualmente estão sem contato umas com as outras antes podiam ter como se comunicar porque a luz viajava mais rápido naquela época. A DSR também dá razão à expansão em aceleração do nosso Universo, o que a inflação não consegue explicar. Os físicos às vezes atribuem esta expansão à "energia negra", mas ninguém sabe exatamente o que é isto ou como funciona.

Uma série de mecanismos foi proposta. Uma forma de pensar sobre a energia negra é dizer que ela eqüivale ao espaço ser ligeiramente curvado ao invés de plano: isto gera uma espécie de tensão elástica que o força a se expandir para fora. Laura Mersini, Mar Bastero-Gil e Panagiota Kanti da Scuola Normale Superiore, em Pisa, e do Instituto Nacional de Física Nuclear da Itália, em Roma, mostraram recentemente que modificações na relação Emc2 de Einstein levam exatamente a tal curvatura do espaço. Em outras palavras, as modificações na DSR fazem a relatividade também explicar a "energia negra". Talvez mais importante, a DSR explica o de outra forma inexplicável: os dados de raios cósmicos do Japão.

Por mais de uma década, físicos trabalhando no Akeno Giant Air Shower Array da Universidade de Tóquio têm visto raios cósmicos que a relatividade especial diz que não deviam existir. Os raios cósmicos são partículas produzidas em eventos violentos como explosões supernova, que então viajam em velocidades enormes pelo espaço. Se forem de energia elevada o bastante, a relatividade dita que qualquer colisão com os abundantes fótons de baixa energia no Universo os destruiria. No momento em que chegam aos nossos detectores na Terra, não deveria restar quaisquer partículas de raios cósmicos com energias superiores a 5 x 1019 eletronvolts. Isto é conhecido como limite Greisen-Zatsepin-Kuzmin.

Mas ao longo da última década, o Akeno tem detectado vários raios cósmicos acima do limite GZK, aparentemente violando a relatividade especial.

Elevando o limite

Mas na DSR, não há problema: a teoria modifica as energias nas quais as partículas são criadas e destruídas. Ao adotar a relatividade especial sem questionamento, nós podemos ter subestimado o limite GZK, diz Amelino-Camelia. Ele tem mostrado que há uma classe de teorias DSR que podem resolver o quebra-cabeça dos raios cósmicos, mas ainda não se sabe qual teoria DSR nesta categoria é a melhor. E aí se encontra o calcanhar de Aquiles da DSR -ainda não há qualquer prova positiva. Tudo o que a DSR apresentou até o momento é que não contradiz a evidência que está começando a surgir com as observações de raios cósmicos.

Para algumas pessoas, isto não basta. John Ellis, o físico teórico baseado no Cern em Genebra, não acha que os dados de raios cósmicos sejam um bom motivo para modificar a equação de Einstein. O cosmólogo de Harvard, Sheldon Glashow, premiado com o Nobel, concorda: ele não vê nenhuma evidência experimental ou teórica que o faça pensar que a relatividade especial precise ser modificada. Os defensores da DSR são rápidos em admitir que a evidência dos raios cósmicos pode ser falha. O número de eventos de raios cósmicos que contradizem o limite GZK é pequeno e alguns físicos, inclusive Amelino-Camelia, sugerem que uma má interpretação dos dados possa explicar as anomalias. Assim, isto é apenas uma moda passageira? "Nem um pouco", diz Glashow.

Por mais descrentes que sejam os críticos, Magueijo acredita que há uma revelação se aproximando. Já que a estrutura da DSR pode responder qualquer pergunta feita pela relatividade especial -e em alguns casos fornecer respostas sutilmente diferentes- ele sente que chegará um ponto em que as pessoas terão que encarar a possibilidade de que Einstein necessita de uma revisão. "O fato de que as respostas geralmente são ligeiramente diferentes significa que você tem uma forma de colocar a relatividade no tribunal da experiência", diz ele. Mas muitas das implicações experimentais da DSR parecem estar limitadas a escalas que nossas experiências ainda não podem sondar.

A diferença entre a velocidade máxima no universo e a velocidade da luz, por exemplo, deveria ser extremamente pequena, e está além da precisão de qualquer instrumento que temos. É apenas quando partículas apresentam energias extremamente altas, aquelas que se aproximam da energia constante da DSR, é que as diferenças se tornam apreciáveis. E apesar da DSR também mudar a forma como os comprimentos mudam com o movimento do observador, assim como faz a relatividade especial, a diferença entre a DSR e a relatividade especial apenas aparece por volta do comprimento de Planck: 10-35 metros. Isto é 10-20 vezes o tamanho de um próton. Este comprimento, e sua escala correspondente de energia, não são nem de perto acessíveis nos aceleradores de partículas mais poderosos do mundo.

Mais evidências experimentais podem surgir com o lançamento em 2006 do Gamma Ray Large Area Telescope (Glast, telescópio de raios gama de grande área), um satélite da Nasa projetado para detectar explosões de raios gama de energia ultra elevada de galáxias distantes. Experiências que serão realizadas neste telescópio medirão a forma como as partículas se movem, com uma sensibilidade que poderá discernir entre as previsões da DSR e da relatividade especial. Até lá, dados mais extensos de raios cósmicos também estarão disponíveis pelo Observatório Pierre Auger, que está em construção na Argentina.

Mas como a DSR tem apenas dois anos de idade, muito mais implicações provavelmente surgirão. Segundo Amelino-Camelia, físicos poderão encontrar testes acessíveis e definitivos para a nova teoria a qualquer momento. "Apenas um número relativamente pequeno de contextos foi analisado com os detalhes necessários", diz ele. Magueijo está confiante que a DSR eventualmente se disseminará: toda a física pode se enquadrar na estrutura da DSR "e será mais fácil do que pensamos", diz ele.

Isto poderá se mostrar extremamente desconfortável. "A relatividade especial dupla certamente exigirá que abandonemos algum outro conceito que atualmente consideramos absolutamente correto", alerta Amelino-Camelia. Se estes físicos estiverem certos, então o reino de Einstein está chegando ao fim. Quando o edifício dos físicos do século 20 começar a desabar ao seu redor, não diga que não foi avisado.

* David Harris é o chefe de relações de mídia da Sociedade Americana de Física

Outras leituras: "Faster than the speed of light" (mais rápido que a velocidade da luz) por Joo Magueijo, Perseus (2003)

Tradução: George El Khouri Andolfato