Beleza e verdade na física por Murray Gell-Mann

Obrigado por terem colocado aqui estas imagens de colegas meus. (Risos) Vamos falar neles. Agora, vou tentar fazer uma experiência. Usualmemte não faço experiências. Sou um teórico. Mas vou descobrir o que sucede se eu carregar neste botão. De certeza. OK. Eu trabalhava no campo das partículas elementares. O que acontece à matéria se a dividirmos em pedaços muitos pequenos? De que é feita a matéria? E as leis que governam estas partículas são universalmente válidas, e estão intimamente ligadas à história do universo.

Sabemos muita coisa sobre quatro forças. Mas devem existir muitas mais, a distâncias muito, muito pequenas, ainda não observamos essas interacções com grande pormenor. O fundamental desta conferência é o seguinte: algo de que temos uma experiência notável no campo da física fundamental a beleza é um critério bem sucedido para escolher a teoria certa. E por que raio deverá ser assim?

Bem, vou dar-vos um exemplo da minha experiência. É realmente surpreendente que isto tenha mesmo sucedido. Em 1957, três ou quatro de nós, formularam, parcialmente, uma teoria completa de uma destas forças, a força fraca. E estava em desacordo com sete - sete, contem-nas, sete experiências. As experiências estavam todas erradas.

E nós publicamos a teoria antes de o saber, porque achamos que era tão bela que deveria estar correcta! As experiências tinham que estar erradas, e estavam mesmo. O nosso amigo que ali está, Albert Einstein, não prestava grande atenção quando as pessoas diziam, "Sabe, há um cientista que realizou uma experiência que está em desacordo com a relatividade restrita." DC Miller. O que é que diz a isto? E ele responderia, "Ah, isso passará." (Risos)

Bem, por que é que este tipo de teorias funciona? É essa a questão. O que é queremos dizer quando falamos em beleza? Isso é algo importante. Vou tentar esclarecer este ponto - esclarecer em parte. Por que é que funciona, e o que tem a ver com a natureza humana? Vou-vos fornecer já a resposta à última questao, não tem nada a ver com a natureza do homem. Algures num outro planeta, a orbitar alguma estrela muito distante, provavelmente noutra galáxia, poderá haver seres que são, pelo menos, tão inteligentes como nós, e estão interessados na ciência. Não é impossível; penso que provavelmente existem muitos.

Muito provavelmente, nenhum estará suficientemente perto para interagir connosco. Mas eles podem estar por aí, muito provavelmente. E suponham que eles têm, vocês sabem, um aparelho sensorial muito diferente, entre outras coisas. Eles têm sete tentáculos, e têm 14 olhos muito engraçados, e um cérebro com a forma de um pretzel. Será que eles têm mesmo leis diferentes? Existem muitas pessoas que acreditam nisso, e eu penso que estão totalmente enganados. Penso que as leis estão na própria natureza, e claro que, num determinado momento, não as compreendemos muito bem - mas tentamos. E tentamos aproximarmo-nos cada vez mais.

E algum dia, poderemos encontrar a teoria unificada fundamental das partículas e forças, o que eu designo de "lei fundamental" Poderemos nem sequer estar muito longe de o conseguir. E mesmo que não cheguemos lá durante a nossa vida, podemos continuar a pensar que ela está por aí, e estamos apenas a tentar chegar cada vez mais perto. Penso que esta é a questão fundamental. Nós exprimimos estas coisas matematicamente. E quando a matemática é muito simples - quando em termos de uma certa notação matemática, conseguimos escrever uma teoria de modo sintético, sem grandes complicações - é essencialmente isto o queremos significar por beleza ou elegância.

O que estava a dizer sobre as leis da natureza é que elas existem na própria natureza. Certamente que Newton acreditava nisto. E disse, "O propósito da filosofia natural é descobrir essas leis." A lei fundamental, digamos - isto é uma suposição. O pressuposto de que a lei fundamental é do tipo de uma teoria unificada de todas as partículas. Actualmente, algumas pessoas designam-na por teoria de tudo. Isto é incorrecto, pois esta teoria é quântica. E não vou discorrer sobre a mecânica quântica e qual o seu significado, e por aí adiante. Já devem ter ouvido muitas coisas erradas sobre a mecânica quântica. (Risos). Existem mesmo alguns filmes com muitas coisas erradas.

Mas o principal é que prevê probabilidades. Bem, por vezes essas probabilidades são quase certezas. E em muitos casos familiares, claro que o são. Mas outras vezes não são, e temos apenas probabilidades de diferentes resultados. Então o que isso significa é que a história do universo não é apenas determinada por uma lei fundamental. É a lei fundamental e uma série incrivelmente longa de acasos, existem a mais os resultados do acaso.

E a lei fundamental não inclui esses resultados aleatórios; eles são algo a acrescentar. Por isso não é uma teoria de tudo. Na realidade, uma quantidade gigantesca de informação no universo resulta de acasos, e não apenas de leis fundamentais. Actualmente, diz-se, com frequência, que estamos cada vez mais perto das leis fundamentais através da análise de fenómenos a baixas energias e, de seguida, a energias mais altas, e energias mais elevadas, ou distâncias mais pequenas e, a seguir, distâncias mais curtas. a de novo distâncias ainda mais curtas, e cada vez mais, é como as camadas de uma cebola. E continuamos a fazê-lo, e construímos máquinas poderosas, aceleradores de partículas. Procuramos a estrutura das partículas num nível cada vez mais profundo, e desse modos, ficaremos provavelmente cada vez mais próximos da lei fundamental.

Bem, o que sucede quando fazemos isto, consoante vamos descascando as camadas da cebola e nos aproximamos da lei de base, verificamos que cada camada tem algo em comum com a anterior, e com a próxima. Podemos escrevê-lo matematicamente, e verificamos que a matemática é muito semelhante. As diferentes camadas requerem uma matemática semelhante. Isto é absolutamente notável, e é o aspecto principal daquilo que estou, hoje, a tentar dizer. Newton designou isto - por falar nisso, aquele ali é Newton.

Este é Albert Einstein. Olá, Al! Em todo o caso, ele disse, "a natureza é semelhante a ela própria" - personificando a natureza no feminino. E o que sucede é que os novos fenómenos, as novas camadas, as camadas interiores das camadas ligeiramente menores da cebola que atingimos, parecem-se com as ligeiramente maiores. E o tipo de matemática de que necessitámos para a camada anterior é quase o mesmo daquele que necessitamos para a próxima camada. E é por isso que as equações são tão simples. Porque usam a matemática que já temos.

Um exemplo trivial é este: Newton estabeleceu a lei da gravidade, que depende do inverso do quadrado da distância entre as coisas que se atraem. Coulomb, em França, estabeleceu a mesma lei para as cargas eléctricas. Este é um exemplo desta semelhança. Analisamos a gravidade e vemos uma certa lei. A seguir analisamos a electricidade. E obtemos a mesma regra. É um exemplo muito simples Existem muitos outros exemplos mais complexos. A simetria é muito importante nesta análise. Sabem o que significa. Por exemplo, uma circunferência, é simétrica perante rotações em torno do seu centro. Roda-se a circunferência em torno do centro, a circunferência permanece na mesma. Em três dimensões, considerando uma esfera, rodamos a esfera em torno do centro, e todas essas rotações deixam a esfera na mesma. São simetrias da esfera. Em geral, dizemos que há uma simetria perante certas operações, se essas operações deixam o fenómeno, ou a sua descrição, inalterada.

As equações de Maxwell são, evidentemente, simétricas perante rotações de todo o espaço. Não altera nada se rodarmos todo o espaço de um certo ângulo, não deixa o - não altera o fenómeno da electricidade e magnetismo. No século XIX surge uma nova notação para exprimir isto, e se usarmos essa notação, as equações ficam muito mais simples. A seguir Einstein, com a sua teoria da relatividade restrita, debruçou-se sobre um novo conjunto de simetrias das equações de Maxwell, que se designam por relatividade restrita. E essas simetrias tornam, por isso mesmo, as equações ainda mais curtas e mais belas.

Vamos ver. Não é necessário saber qual o significado de tudo isto, não faz nenhuma diferença. Mas podem apenas olhar para a forma. (Risos). Podem ver a forma. Vêm acima uma longa lista de equações com três componentes para as três direcções do espaço: x, y e z. Se usarmos a análise vectorial, e a simetria de rotação, obtemos este novo conjunto. A seguir usamos a simetria da relatividade restrita e obtém-se um conjunto ainda mais simples aqui em baixo, mostrando que esta simetria se revela cada vez melhor. Quanto mais simetria tivermos, melhor se revela a simplicidade e elegância da teoria.

As últimas duas, a primeira equação diz-nos que as carga eléctricas e as correntes originam todos os campos eléctricos e magnéticos. A próxima - segunda - equação diz-nos que esse é o único magnetismo que existe. Todo o magnetismo resulta das cargas eléctricas e correntes. Algum dia poderemos encontrar alguma falha neste argumento. Mas por enquanto, isto é o que vale.

Existe, actualmente, um desenvolvimento excitante de que muitos ainda não ouviram falar. Deveriam ter ouvido falar disso, é um pouco complicado de explicar do ponto de vista técnico, por isso não o vou fazer. Vou apenas referi-lo. (Risos). Mas Chen Ning Yang, que nós chamamos de "Frank" Yang - (Risos) - e Bob Mills formulou-o, há 50 anos atrás, esta generalização das equações de Maxwell, com uma nova simetria. Uma simetria completamente nova. Matemática muito similar, mas com uma simetria totalmente nova. Eles esperavam que isso contribuísse, de algum modo, para a física de partículas - não era. Não contribuiu, por si mesma, para a física de partículas.

Mas, depois disso, alguns de nós generalizámos essa simetria. E depois disso deu o seu contributo. E resultou numa descrição muito bela das forças forte e fraca. Por isso dizemos, de novo, o que já dissemos. cada camada da cebola mostra uma semelhança com as adjacentes. Por isso a matemática das camadas adjacentes é muito semelhante à que necessitamos para a nova camada. E por isso é muito bela. Porque já a sabemos escrever de um modo conciso e sedutor.

O fundamental do que queremos dizer. Acreditamos que existe uma teoria unificada na base de todas as regularidades. Os passos na direcção da unificação mostram a simplicidade. A simetria demonstra a simplicidade. Por outras palavras: há também a auto-semelhança entre escalas, de uma camada da cebola para outra. Auto-semelhança de proximidade. E isso também vale para este fenómeno. Isso justifica por que é que a beleza é um critério bem sucedido para seleccionar a teoria correcta.

O que o próprio Newton disse: "A Natureza é muito semelhante e consonante consigo mesma." Uma das coisas em que ele estava a pensar é algo que a maioria de nós hoje toma como garantido, mas no seu tempo não era algo que fosse reconhecido. Há a história, que não estamos certos de que seja verdadeira, mas que muitas pessoas contam. Quatro fontes referiram-na. Quando a praga atingiu Cambridge, Newton foi para a quinta da sua mãe - porque a universidade foi encerrada - e viu uma maçã a cair de uma árvore, ou na sua cabeça ou algo do género. E repentinamente apercebeu-se de que a força que fez cair a maçã na Terra poderia ser a mesma força que regulava os movimentos dos planetas e da Lua.

Isso foi uma unificação enorme no seu tempo, embora actualmente a consideremos como um dado adquirido. É a mesma teoria da gravidade. Por isso disse que este princípio da natureza, consonância: "Este princípio da natureza sendo muito distante das concepções dos filósofos, eu evitei descrevê-lo nesse livro, pois no mínimo seria considerado como um lunático extravagante ..." É o que todos devemos estar a ver. (Risos), Sobretudo nesta conferência. " ... e desse modo predispor os meus leitores contra todas as coisas que são o propósito fundamental deste livro."

Bem, quem é que hoje poderia argumentar que isto é um mero conceito da mente humana? De que a força que faz com que a maçã caia para o solo é a mesma força que origina as órbitas dos planetas e da Lua, e por aí fora? Todos o sabem. É uma propriedade da gravitação. Não é algo que exista na mente do homem. A mente humana pode, obviamente, apreciá-la e tirar prazer dela, utilizá-la, mas não é - não um resultado proveniente da mente do Homem. Deriva do carácter da gravidade. E isso é verdade para todas as coisas que temos estado a falar. Existem propriedades da lei fundamental. A lei fundamental é tal que diferentes camadas da cebola são parecidas entre si, e por esse motivo a matemática de uma camada permite que se expresse de modo simples e belo o fenómeno da próxima camada.

Já disse que nesse ano, Newton fez uma série de coisas: a teoria da gravidade, as leis do movimento, o cálculo, a luz branca composta por todas as cores do arco-íris. E ele poderia ter escrito um ensaio "O que fiz nas minhas férias de verão." (Risos). Não devemos assumir estes princípio como postulados metafísicos separados. Eles resultam da teoria fundamental. São aquilo que designamos por propriedades emergentes. Não é necessário - não é necessário uma coisa nova para obter mais alguma coisa. É esse o significado de emergência.

A vida pode emergir da física e da química, acrescida de um conjunto enorme de acasos. A mente humana pode surgir da neurobilogia acrescida de um conjunto de acidentes, o modo como a ligação química resulta da física, e de alguns acasos. Isto não diminui a importância destes assuntos saber que eles resultam de certas coisas fundamentais, acrescidas de acasos. Esta é a regra geral, e é criticamente importante termos consciência disso. Não necessitamos de novas coisas para obter mais coisas. Quando as pessoas lêem o meu livro, "O Quark e o Jaguar", continuam a perguntar E dizem, "Não existe mais alguma coisa para além do que lá está?" Provavelmente, eles querem dizer algo sobrenatural. De qualquer modo, não há. (Risos). Não precisamos de algo novo para explicar algo mais. Muito obrigado. (Aplausos).