O Grande Projeto
Autor: Anonymous Science | Publicado: 2012-02-17T10:36:00-08:00

Nesta temporada do blog descrevemos como regularidades nos movimentos dos corpos astronômicos – Sol, Lua e os planetas – sugeriram que eles são governados por leis fixas e não sujeito às vontades arbitrárias e aos caprichos de deuses e demônios. Primeiramente, a existência dessas leis foi evidenciada apenas na astronomia (ou astrologia, que se considerava a mesma coisa). O comportamento das coisas na Terra era considerado tão complicado e sujeito a tantas influências que as antigas civilizações eram incapazes de discernir quaisquer padrões claros ou leis regendo esses fenômenos. Gradualmente, contudo, novas leis foram descobertas em outras áreas além da astronomia, o que conduziu à ideia de determinismo científico: deveria haver um conjunto completo de leis que, dado o estado do universo em um instante específico, deveria especificar como o universo se desenvolveria dali em diante. Essas leis deveriam ser válidas em todos os instantes e lugares, ou não seriam leis. Não poderia haver exceções ou milagres. Deuses ou demônios não poderiam intervir nos rumos do universo.Na época em que primeiro se propôs o determinismo científico, as únicas leis conhecidas eram as leis newtonianas do movimento e da gravitação. Descrevemos como essas leis foram estendidas por Einstein em sua teoria da relatividade geral, e como outras leis foram descobertas, governando outros aspectos do universo.As leis naturais nos dizem como o universo se comporta, mas elas não respondem às questões colocadas no início desta temporada do blog:Por que há algo em vez de nada?Por que existimos?Por que este conjunto particular de leis e não outro?Alguns poderiam assegurar que a resposta a essas questões é que há um Deus que escolheu criar o universo desse modo. É razoável se perguntar quem ou o que criou o universo, mas, se a resposta é Deus, então a questão é apenas deslocada para quem ou o que criou Deus. Segundo esse ponto de vista, concebe-se a existência de alguma entidade que não necessita de criador, e essa entidade é chamada de Deus. Esse é o conhecido argumento da primeira causa em favor da existência de Deus. Sustentamos, contudo, que é possível responder a essa questão inteiramente dentro do reino da ciência, sem apelar para quaisquer seres divinos.De acordo com o realismo dependente do modelo, introduzido no 3º artigo, nossos cérebros interpretam as informações vindas de nossos órgãos sensoriais construindo um modelo do mundo exterior. Formamos conceitos mentais de nossa casa, das árvores, de outras pessoas, da eletricidade que sai das tomadas, dos átomos, das moléculas e de outros universos. Esses conceitos mentais constituem a única realidade que conhecemos. Não há teste da realidade independente de modelo. Daí decorrer que um modelo bem-construído cria sua própria realidade. Um exemplo que pode nos ajudar a refletir sobre as questões da realidade e criação é o Jogo da Vida, criado em 1970 por John Conway, um jovem matemático de Cambridge.A palavra “jogo” do Jogo da Vida pode gerar mal-entendidos. Não há vencedores e perdedores; na verdade, não há jogadores. O Jogo da Vida não é na realidade um jogo, mas um conjunto de leis que governam um universo bidimensional. É um universo determinístico. Uma vez que se arme a configuração inicial, ou condição inicial, as leis determinam o que acontece no futuro.O mundo imaginado por Conway é uma matriz quadrada, como um tabuleiro de xadrez, mas estendendo-se infinitamente em todas as direções. Cada quadrado pode ter dois estados: vivo (mostrado a seguir em verde) ou morto (representado em preto). Cada quadrado tem oito vizinhos: em cima, embaixo, à direita, à esquerda e nas quatro diagonais. Nesse mundo, o tempo não é contínuo, mas avança em passos discretos. Dado qualquer arranjo de quadrados vivos e mortos, o número de vizinhos vivos determina o que ocorre a seguir, conforme as seguintes leis:1. Um quadrado vivo com dois ou três vizinhos vivos sobrevive (sobrevivência)2. Um quadrado morto com exatamente três vizinhos vivos se torna uma célula viva (nascimento).3. Em todos os outros casos, uma célula morre ou permanece morta. No caso em que um quadrado vivo tem zero ou somente um vizinho, morre de solidão; se tem mais de três vizinhos, morre por superpopulação.Tudo que há no Jogo da Vida resume-se assim: dada qualquer condição inicial, essas leis produzem geração após geração. Um quadrado vivo isolado ou dois quadrados adjacentes morrem na próxima geração, porque não têm o número suficiente de vizinhos. Três quadrados vivos ao longo de uma diagonal sobrevivem por um pouco mais de tempo. Depois do primeiro passo temporal, os quadrados nas pontas morrem, deixando apenas o quadrado do meio, que morre na geração seguinte. Qualquer linha diagonal de quadrados “evapora” exatamente dessa maneira. Mas, se três quadrados são dispostos horizontalmente numa fileira, mais uma vez o centro tem dois vizinhos e sobrevive, enquanto os quadrados nas pontas morrem, mas nesse caso as células logo acima e abaixo do quadrado central experimentam um nascimento. A fileira, portanto, transforma-se numa coluna. Da mesma forma, na próxima geração, a coluna volta a ser uma fileira, e assim por diante. Tais configurações oscilantes são denominadas blinkers (“piscantes”).Blinkers. Blinkers são um tipo simples de objeto composto do Jogo da Vida.Se três quadrados vivos são dispostos na forma de um L, surge um novo comportamento. Na próxima geração, o quadrado emoldurado pelo L vai nascer, fazendo surgir um bloco 2x2. Esse bloco pertence a uma classe de padrões chamado “vida paada” (still life), porque a ida passa inalterada de geração a geração. Existem muitos tipos de padrões que se transformam nas primeiras gerações, mas que logo se tornam uma vida parada, ou morrem, ou retornam à sua forma original e então repetem o processo.Evolução para uma vida parada. Alguns objetos compostos do Jogo da Vida evoluem para uma forma que, segundo as regras, nunca mudará.Há também uma outra classe de padrões, chamados gliders (“deslizantes”), que transformam-se em outras figuras, mas que, após algumas gerações, retornam à sua forma original, mas numa posição deslocada por um quadrado ao longo da diagonal. Se observarmos o seu desenvolvimento no tempo, eles parecem rastejar através do reticulado. Quando os gliders colidem, podem ocorrer comportamentos curiosos, dependendo do formato de cada glider no momento da colisão.Gliders. Gliders transformam-se em várias figuras intermediárias, mas retornam às suas formas originais, deslocadas por um quadro ao longo da diagonal.O que torna esse universo interessante é que, embora sua “física” seja simples, a “química” pode ser complicada. Isto é, os objetos compostos existem em diferentes escalas. Na menor escala, a física fundamental diz que há apenas quadrados vivos ou mortos. Numa escala maior, há blinkers, gliders e vidas paradas. Numa escala ainda maior, há objetos ainda mais complexos, como gliders gun (“armas de gliders”): padrões estacionários que periodicamente dão vida a novos gliders que deixam o ninho e escapam ao longo da diagonal.Se observarmos o universo do Jogo da Vida por um tempo em uma dada escala, poderemos deduzir as leis governando os objetos naquela escala. Por exemplo, na escala de objeto com o tamanho de uns poucos quadrados, teríamos leis como: “blocos nunca se movem”, “gliders deslocam-se diagonalmente”, e várias leis para o que acontece quando dois objetos colidem. Acabaríamos criando toda uma física para qualquer nível de objetos compostos. Tais leis envolveriam entidades e conceitos que não estão presentes nas leis originais. Por exemplo, não há conceitos como “colidir” ou “mover-se” entre as leis originais. Estas descrevem apenas a vida e morte de quadrados individuais estacionários. No Jogo da Vida, assim como no nosso universo, nossa realidade depende do modelo que empregamos.Configuração inicial de uma glider gun. A glider gun é cerca de dez vezes maior que um glider.Conway e seus alunos criaram esse mundo porque queriam saber se um universo com regras fundamentais tão simples poderia conter objetos complexos o suficiente para se replicarem. No Jogo da Vida, existem de fato objetos compostos que, meramente seguindo as leis daquele mundo por algumas gerações, poderiam ter proles da sua própria espécie? Não somente Conway e sua equipe demonstraram que isso era possível, como também mostraram que tal objeto seria, de um certo modo, inteligente! O que se entende por isso? Para sermos precisos, demonstraram que as enormes aglomerações de quadrados autorreplicantes são “máquinas de Turing universais”. Para nossos propósitos, isso significa que, para qualquer cálculo que um computador do nosso mundo físico possa em princípio realizar, se essa máquina for alimentada com as informações apropriadas – isto é, suprida com o apropriado ambiente do mundo do Jogo da Vida -, então, depois de algumas gerações, a máquina estará em um estado do qual se pode obter informações que corresponderiam ao resultado do cálculo do computador.A glider gun após 116 gerações. Com o tempo, a glider gun muda de forma, emite o glider e então retorna ao estado e posição originais. Esse processo é repetido ad infinitum.Para se ter uma ideia de como isso funciona, consideramos o que acontece quando gliders são disparados contra um simples bloco 2’2. Se os gliders incidirem exatamente do modo certo, o bloco, que estava estacionário, se deslocará ou na direção ou para longe da fonte dos gliders. Desse modo, o bloco pode simular a memória de um computador. De fato, todas as operações lógicas de um computador moderno, como as de conjunção e disjunção, podem ser criadas a partir dos gliders. Assim, do mesmo modo que um computador físico emprega sinais elétricos, correntes de gliders podem ser utilizadas para enviar e processar informações.No Jogo da Vida, assim como no nosso universo, padrões autorreplicantes são objetos complexos. Uma estimativa, baseada em um trabalho anterior e pioneiro do matemático John Von Neumann, estabelece o tamanho mínimo de uma padrão autorreplicante do Jogo da Vida em dez trilhões de quadrados – aproximadamente o número de moléculas de uma única célula humana.Pode-se definir os seres vivos como sistemas complexos de tamanho limitado que são estáveis e capazes de se reproduzir. Os objetos descritos acima satisfazem o critério de reprodução, mas provavelmente não são estáveis: uma pequena perturbação exterior poderia provocar um entrave no seu mecanismo delicado. Contudo, é fácil imaginar que leis ligeiramente mais complicadas poderiam permitir sistemas complexos com todos os atributos da vida. Imagine uma entidade desse tipo, um objeto de um mundo como o de Conway. Tal objeto responderia a estímulos ambientais e, desse modo, pareceria tomar decisões. Tal vida seria capaz de perceber sua própria existência? Seria autoconsciente? Essa é uma questão que divide profundamente as opiniões. Alguns defendem que a autoconsciência é uma particularidade dos seres humanos. Isso lhes confere livre-arbítrio, a capacidade de escolher entre diferentes cursos de ação.Mas como podemos saber se um ser tem livre-arbítrio? Se encontrarmos um alienígena, como vamos saber se é apenas um robô ou se tem uma mente própria? O comportamento de um robô seria completamente determinado, diferentemente daquele de um ser com livre-arbítrio. Assim, poderíamos em princípio identificar um robô como um ser cujas ações podem ser previstas. Como dissemos no 2º artigo, isso pode ser bastante difícil se o ser é grande e complexo. Nós nem sequer podemos resolver exatamente as equações de três ou mais partículas interagindo entre si. Uma vez que um alienígena do tamanho de um ser humano conteria cerca de mil trilhões de trilhões de partículas, mesmo se o alienígena fosse um robô, seria impossível resolver as equações e prever o que ele faria. Portanto, teríamos que dizer que qualquer ser complexo possui livre-arbítrio – não como uma característica fundamental, mas como uma teoria efetiva, um reconhecimento da nossa incapacidade de fazer os cálculos que nos permitiriam prever suas ações.O exemplo do Jogo da Vida de Conway mostra que mesmo em um conjunto de leis muito simples pode produzir características complexas semelhantes às da vida inteligente. Deve haver muitos conjuntos de leis com essa propriedade. O que seleciona as leis fundamentais (não as leis aparentes) que regem nosso universo? Como no universo de Conway, as leis do nosso universo determinam a evolução do sistema, dado o estado em um instante especificado. No mundo de Conway, nós somos os criadores – escolhemos o estado inicial do universo especificando os objetos e suas posições no início do jogo.Em um universo físico, as contrapartes de objetos como os gliders do Jogo da Vida são corpos de matéria isolados. Qualquer conjunto de leis que descreva um mundo contínuo como o nosso terá um conceito de energia, que é uma quantidade conservada, ou seja, imutável no tempo. A energia do espaço vazio será uma constante, independente tanto do tempo quanto da posição. Pode-se subtrair essa energia constante do vácuo medindo a energia de qualquer volume do espaço em relação ao mesmo volume de espaço vazio, e assim pode-se muito bem chamá-la de constante zero. Uma exigência que deve ser satisfeita por qualquer lei natural é aquela que impõe que a energia de um corpo isolado circundado por espaço vazio é positiva, o que significa que foi necessário realizar trabalho parar montar o corpo. Isso porque, se a energia de um corpo isolado fosse negativa, ele poderia ter sido criado em um estado de movimento tal que sua energia negativa fosse exatamente balanceada pela energia positiva devida ao seu movimento. Se isso fosse verdadeiro, não haveria razão para que os corpos não pudessem aparecer em toda e qualquer parte. O espaço vazio seria, portanto, instável. Mas, se parar criar um corpo isolado gasta-se energia, tal instabilidade não pode ocorrer, pois, como dissemos, a energia do universo deve permanecer constante. Isso é o necessário para fazer com que o universo seja um local estável – para fazê-lo de tal modo que as coisas não apareçam simplesmente do nada.Se a energia total do universo deve permanecer nula, e se é necessário energia para criar um corpo, como todo um universo pode ter sido criado no nada? É por esse motivo que deve haver uma lei como a da gravidade. Como a gravidade é atrativa, a energia gravitacional é negativa: é preciso um grande trabalho para separar um sistema gravitacional ligado, tal como a Terra e a Lua. Essa energia negativa pode balancear a energia positiva necessária para criar matéria, mas não é tão simples assim. A energia gravitacional negativa da Terra, por exemplo, é menos do que um bilionésimo da energia positiva das partículas que a compõem. Um corpo como uma estrela terá mais energia gravitacional negativa, e, quanto menor ele for (e mais próximas suas partes estiverem umas das outras), maior será sua energia gravitacional negativa. Mas, antes que ela possa se tornar maior que a energia positiva da matéria, a estrela colapsará num buraco negro, e buracos negros têm energia positiva. É por isso que o espaço vazio é estável. Corpos como estrelas e buracos negros não podem simplesmente aparecer do nada. Mas todo um universo pode.Visto que a gravidade molda o espaço e o tempo, ela permite que o espaço-tempo seja localmente estável mas globalmente instável. Na escala do universo como um todo, a energia positiva da matéria pode ser balanceada pela energia gravitacional negativa, e assim não há restrição à criação de universos inteiros. Devido ao fato de existir uma lei como a da gravidade, o universo pode e criará a si mesmo do nada do modo descrito no 6º artigo. Criação espontânea é a razão por que há algo em vez de nada, por que existe o universo, por que existimos. Não é necessário invocar Deus para acender o pavio e colocar o universo em movimento.Por que as leis fundamentais são tal como as descrevemos? A teoria final deve ser consistente e prever resultados finitos para as quantidades que podemos medir. Vimos que deve haver uma lei como a da gravidade e discutimos no 5º artigo que, para uma teoria da gravitação prever quantidades finitas, ela deve incorporar a chamada supersimetria entre as forças da natureza e a matéria nas quais elas agem. A teoria-M é a teoria da gravitação supersimétrica mais geral. Por essas razões, a teoria-M é a única candidata a uma teoria completa do universo. Se este é finito – e isso ainda precisa ser provado -, será um modelo de universo que cria a si mesmo. Devemos fazer parte desse universo porque não há outro modelo consistente.A teoria-M é a teoria unificada que Einstein ansiava encontrar. O fato de que nós, seres humanos – que somos meras coleções de partículas elementares da natureza -, tenhamos sido capazes de chegar tão perto de uma compreensão das leis que governam nosso universo e a nós mesmos é um grande triunfo. Mas talvez o verdadeiro milagre seja que considerações lógicas abstratas conduzem a uma teoria única que prevê e descreve um vasto universo, repleto da espantosa variedade que vemos. Se a teoria for confirmada pela observação, será a conclusão bem-sucedida de uma busca que remonta a mais de três mil anos. Teremos encontrado o grande projeto.1º Artigo: O Mistério do Ser2º Artigo: O Domínio da Lei3º Artigo: O Que é a Realidade?5º Artigo: A Teoria de Tudo6º Artigo: Escolhendo Nosso Universo7º Artigo: O Aparente MilagreReferência: Readaptação de The Grand Design de Leonard Mlodinow e Stephen Hawking