O universo é imenso. Existem centenas de bilhões de galáxias, incontáveis estrelas e planetas neste vasto cosmos de objetos gigantescos e distâncias inimagináveis. A Terra, onde vivemos, é um mero ponto minúsculo.
Para se ter uma ideia, nosso planeta representa apenas uma fração ínfima de um sistema solar, que por sua vez é uma fração ainda menor de uma galáxia como a Via Láctea. A humanidade mal começou a compreender seu lugar neste universo em grande escala. No entanto, existe outro universo, muito mais inacessível e estranho do que você pode imaginar, um mundo que opera sob regras e princípios que desafiam nossa compreensão intuitiva.
Até agora, olhamos para cima, para mundos dentro de sistemas planetários, agrupados em estrelas e galáxias, que por sua vez formam aglomerados de galáxias. Este é o reino macroscópico que nossos telescópios tentam capturar, com sua luz que viaja através do vácuo do espaço, revelando segredos de eras passadas. As imagens de galáxias em colapso, estrelas nascendo e morrendo, e a dança gravitacional de sistemas solares são fascinantes, mas por trás desse espetáculo grandioso, existe outra camada de complexidade que nos aguarda: o reino quântico.
E ele está aqui mesmo, formando todos os blocos fundamentais da matéria. É tão estranho que, assim como o universo em grande escala, não conseguimos alcançar seus limites. Nesta fascinante jornada, descobriremos o mundo do infinitamente pequeno.
Saberemos do que é composto tudo o que vemos, as forças que o regem e chegaremos até às nossas origens. Nossa verdadeira essência é quântica. Para fazer essa viagem, nos tornaremos cada vez menores, descobrindo um universo novo e desconcertante.
Imagine-se encolhendo até o tamanho de uma bolinha de gude, que mede cerca de 1,5 centímetros. As bolinhas nos parecem redondas, mas se as observarmos com um microscópio, são bastante irregulares, com superfícies repletas de imperfeições que nunca percebemos a olho nu. As formigas, insetos geralmente com 4 milímetros de diâmetro, superam em número os humanos em mais de um milhão para cada pessoa na Terra, mostrando como a vida é abundante em escalas que mal podemos imaginar.
Um grão de sal mede cerca de 500 micrômetros, já bem pequeno à nossa vista. Mas quando nos aventuramos mais fundo, encontramos os ácaros, criaturas invisíveis a olho nu, com 300 micrômetros, que se alimentam de células mortas e estão por toda parte, convivendo conosco sem que tenhamos consciência disso. À medida que diminuímos ainda mais, cerca de 100 micrômetros, ou um décimo de milímetro, encontramos gotas de neblina, óvulos e pequenos seres como os paramécios, que adoram nadar na água.
Cada um desses organismos é uma pequena maravilha da natureza, com suas próprias complexidades e ecologias. Entramos em uma zona visível apenas com microscópio, onde vemos células de 35 micrômetros e bactérias de 2 micrômetros. Chegamos aos vírus, 100 vezes menores que uma bactéria, seres que podem ser devastadores, mas também têm um papel crucial em diversos ecossistemas, mostrando como a vida, mesmo em escalas diminutas, é interconectada e vital.
Continuando a diminuir, encontramos as moléculas, conjuntos de átomos 100 vezes menores que um vírus. Observe: um átomo de hidrogênio, o elemento mais abundante no universo, é tão pequeno que só pode ser visto com um microscópio eletrônico, onde uma vasta realidade se revela diante de nossos olhos. Esta é a fotografia em menor escala que conseguimos obter com nossos aparelhos.
Os átomos formam conjuntos de moléculas, e grande parte parece espaço vazio, mas não é. Tudo está repleto de campos quânticos com flutuações aleatórias, um turbilhão de atividade invisível que compõe a base da matéria. Até pouco mais de um século atrás, acreditávamos que os átomos eram os blocos fundamentais da matéria.
Estávamos enganados. Existem partículas menores, como os elétrons, que giram em torno do núcleo do átomo, criando uma dança cósmica de forças e energia. Aqui, provavelmente, começa o reino quântico, o das partículas subatômicas.
O núcleo atômico, por sua vez, é composto de partículas ainda menores: prótons e nêutrons. Embora os representemos como bolinhas, uma partícula, na verdade, são flutuações localizadas de campos quânticos. Diferentemente dos planetas, com sua ordem estabelecida e elegante, no mundo subatômico as partículas são caóticas e podem estar em qualquer lugar, tornando o universo não apenas vasto, mas também profundamente complexo.
Toda a estabilidade da matéria ao nosso redor depende do que acontece neste mundo quântico e do cumprimento das leis quânticas, sem as quais a matéria colapsaria. Especificamente, isso não ocorre graças ao Princípio de Exclusão de Pauli, que determina que duas partículas não podem ocupar o mesmo estado ao mesmo tempo, principalmente os elétrons. Isso é lógico, pois a mecânica quântica rege as bases constituintes de toda a matéria e energia.
Assim, seus efeitos são notados em qualquer escala, desde a formação de átomos até a complexidade da vida como conhecemos. Chegamos a escalas menores que os elétrons. O que vem a seguir não foi observado e sua existência é puramente teórica.
Na escala de 1 elevado a menos 17 metros, a força fraca, uma das quatro forças fundamentais da natureza, torna-se imperceptível. A força fraca é responsável por processos como a desintegração beta, um fenômeno que é crucial para a física nuclear e tem implicações em como a matéria se comporta em escalas subatômicas. Alcançamos escalas dificilmente compreensíveis.
A 1,5 elevado a menos 20 metros, surgem os neutrinos, as partículas mais abundantes no universo, juntamente com os fótons, as partículas de luz que iluminam nosso mundo. Dentro dos prótons e nêutrons, existem outras partículas chamadas quarks, unidos pela força nuclear forte, sendo uma das forças fundamentais da natureza. Os quarks são as menores partículas que existem e são considerados os blocos fundamentais do universo.
Na verdade, os prótons são compostos por três quarks, que se mantêm juntos através da troca de glúons, as partículas mediadoras da força forte. Essa força é tão intensa que supera a repulsão entre os prótons, que possuem carga positiva e tenderiam a se afastar devido à força eletromagnética. Em escalas de 10 elevado a menos 24 metros, chegamos à fronteira da física teórica, onde a compreensão se torna nebulosa e misteriosa.
O que parecia espaço vazio é um mar de energia invisível aos nossos olhos. Atualmente, a escala de Planck equivale a 10 elevado a menos 35 metros e é a menor escala possível. Bem-vindos, chegamos ao vácuo quântico!
O universo, em seu nível fundamental, não é liso. O espaço-tempo é continuamente deformado por flutuações quânticas. Isso é a espuma quântica, o tecido do universo em seu nível mais básico, semelhante à espuma de uma panela de água fervente, com protuberâncias constantes que refletem a energia dinâmica e a instabilidade do vácuo.
O Comprimento de Planck é a distância que a luz percorre em um Tempo de Planck, um intervalo de tempo tão pequeno que é praticamente inimaginável em nossa experiência diária. Nenhum dos nossos modelos do universo faz sentido nessas escalas tão pequenas, e à medida que nos aprofundamos o vale da estranheza só cresce. Acreditamos que partículas surgem e desaparecem da existência, criando uma espuma quântica de energia inimaginável.
As partículas do nosso universo são como expressões de campos quânticos e podem se materializar em qualquer lugar. É o que os físicos chamam de vácuo, ou “o nada”. O vácuo não é um vazio absoluto, mas um espaço preenchido com potencial e energia.
O curioso é que a energia total da espuma quântica é zero. Quando ocorre uma excitação em um ponto, imediatamente surge outra com comportamento oposto, anulando a energia adicional e expansões em pequena escala. Isso faz com que o vácuo seja o estado de mínima energia possível, sem uma direção de tempo.
É um paradoxo. Deste vácuo pode surgir qualquer coisa, inclusive um universo. Um estudo de 2019 dos físicos Qingdi Wang e William Unruh da Universidade da Colúmbia Britânica sugere que todos os pontos do espaço-tempo passam por um ciclo de expansão e contração, como universos em miniatura.
Cada ponto seria um universo microcíclico, indo da singularidade ao Big Bang e colapsando, repetindo o ciclo. Seriam versões miniaturizadas do nosso universo. Nesta espuma quântica, surgem partículas de matéria e antimatéria virtuais, criadas e destruídas constantemente, tão efêmeras que sua existência é puramente teórica.
Um dia, fomos uma flutuação quântica onde se concentrou uma enorme quantidade de energia para criar o Big Bang e todos os blocos da matéria. Estamos vendo nossas origens: a espuma quântica. John Wheeler explicou o termo espuma quântica em 1955.
Neste nível subatômico, a energia é regida pelo Princípio da Incerteza de Heisenberg. Para entender este princípio, é importante saber que o universo é regido por quatro dimensões: três regidas pelo espaço que um objeto ocupa, que seriam altura, largura e profundidade, e a dimensão regida pelo tempo. O Princípio da Incerteza nos diz que a energia tem flutuações constantes e que é impossível conhecer a localização exata de uma partícula subatômica em um momento específico.
Portanto, o vácuo quântico se assemelha às ondas de um oceano espumoso. Uma partícula pode aparecer repentinamente do outro lado de uma parede pelo efeito túnel, sem atravessá-la, já que o vácuo permeia tudo. O intrigante é que os campos quânticos que permeiam o vácuo, aos quais as partículas pertencem, são uma soma de possibilidades, e uma única possibilidade é escolhida pelo ato de observá-la.
Com isso, me vem à mente que se tivéssemos o equipamento adequado, poderíamos criar nossa própria realidade, detectando partículas e matéria e obrigando-as a se mover em uma direção específica. Isso quer dizer que poderíamos manipular o universo e suas leis físicas a partir do vácuo. Mas o universo impõe seu próprio filtro para que isso não seja possível, impedindo manipulações.
O Princípio da Incerteza nos impede de saber onde cada partícula está em dado momento. Outra característica fascinante do mundo quântico é o entrelaçamento, onde duas partículas podem se tornar interligadas de tal forma que o estado de uma influência instantaneamente o estado da outra, independentemente da distância que as separa. Imagine que você tem duas partículas entrelaçadas, uma aqui na Terra e outra na galáxia de Andrômeda.
Se você mudar o estado da partícula na Terra, a partícula em Andrômeda responderá imediatamente, como se estivessem conectadas por um fio invisível. Esse fenômeno sugere que, em um nível fundamental, a separação entre as partículas é uma ilusão. Além disso, não podemos ignorar o papel da observação e da consciência no universo quântico.
Ao estudar a física quântica, percebemos que a maneira como fazemos perguntas e formulamos hipóteses afeta diretamente o que encontramos. O simples ato de medir um fenômeno quântico pode alterar sua natureza. Isso nos leva a refletir sobre a natureza da consciência e como ela se relaciona com a realidade.
E então surge a pergunta: Estamos co-criando o universo à medida que o observamos? Essa perspectiva sugere que somos mais do que meros espectadores em um cosmos indiferente; somos participantes ativos da realidade. Cada pensamento, cada ação tem um impacto, não apenas em nossas vidas, mas também no universo ao nosso redor.
Em última análise, somos parte desse imenso mistério, interligados com tudo o que existe. Somos, em essência, campos quânticos, mas evoluímos para seres macroscópicos compostos por milhões de átomos e moléculas de grande complexidade. Poderíamos ser ainda menores.
Mas… Do que são compostas as partículas? Segundo a Teoria das Cordas, as partículas elementares são cordas vibrantes de energia. A vibração determina o tipo de partícula.
O universo é movimento e vibração. Se os vídeos são compostos de frames, o universo, em seu nível fundamental, é composto por cordas de energia. Outra teoria, propõe que as partículas elementares são compostas por entidades ainda mais fundamentais, chamadas pré-ons.
A ideia é que os quarks e léptons, por exemplo, seriam formados pela combinação de pré-ons, ou seja, subcomponentes dos quarks e léptons. E várias outras teorias, porém, nenhuma dessas teorias foi comprovada experimentalmente de forma definitiva ainda. O olho humano percebe muitos objetos em grande escala, mas, devido ao nosso tamanho, esses objetos cósmicos criam ilusões.
É por isso que muitas pessoas ainda acreditam que a Terra é plana ou que somos o centro do universo. Nosso tamanho reduzido engana nossos sentidos. Mas também nos perdemos em escalas pequenas.
Pensamos que estamos em uma escala intermediária, mas poderíamos estar mais perto do mundo nanoscópico do que do macroscópico. Agora você sabe o quão imenso é o cosmos em todas as escalas e compreendeu nossas origens quânticas. Chegamos além da física conhecida.
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