Existem mais de três dimensões no universo? Veja o que a ciência diz

Uma das hipóteses mais "doidas" da ciência é a de existirem outras dimensões do espaço, além das que conhecemos. Muitos estudos teóricos já apresentaram essa ideia para (tentar) explicar alguns mistérios da física, mas será que essas outras dimensões são reais? Ou melhor, será que algum dia teremos uma resposta definitiva a essa questão?

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Segundo a Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein, testada exaustivamente e constantemente comprovada em observações espaciais, vivemos em quatro dimensões: três espaciais e uma temporal. Todas as observações, tanto no universo macroscópico quanto no quântico, também apontam que estamos limitados a isso.

Mas o que seria da ciência sem as perguntas mais intrigantes que, muitas vezes, impulsionam grandes descobertas e até mesmo revoluções? Alguns exemplos de perguntas "estranhas" cujas respostas acabaram mundando o mundo: Por que o céu é azul? Como a luz se propaga? Por que os objetos caem sempre no chão? Do que são feitas as estrelas?

Entre as perguntas complexas dos dias atuais, uma que empolga (e confunde) muita gente é justamente a que estampa o título desta matéria: existem outras dimensões no universo? E, dependendo do que estamos chamando de “dimensões”, as possíveis respostas podem ser bem diferentes.

Dimensões em grande escala

Uma analogia muito famosa nos mostra como funcionariam as dimensões adicionais imaginando um mundo com apenas duas dimensões espaciais, como uma folha de papel. Os seres que vivem nesse universo podem acessar largura e comprimento, mas não a altura.

Se colocarmos uma caixa tridimensional nesse universo de papel, aqueles seres não enxergarão a altura da caixa, apenas um quadrado bidimensional aparecendo do nada. Se falarmos com eles, ouviriam uma voz vindo do nada.

Do mesmo modo, se existisse outra dimensão acima da nossa, não poderíamos vê-la jamais. Mas poderíamos detectá-la medindo as energias de nossa própria dimensão.

Detectando outra dimensão

No mundo bidimensional, as ondas sonoras só poderiam ser detectadas nas duas dimensões que os seres de lá conhecem. Mas se algum curioso — um cientista bidimensional — se perguntar se poderia existir uma terceira dimensão espacial, ele poderia medir as ondas sonoras.

As ondas sonoras dependem da energia cinética para se deslocarem até chegar aos nossos ouvidos, e essa energia pode ser medida. Se o cientista bidimensional fizer isso, ele perceberá que algo está faltando.

Sabemos que, em nosso universo tridimensional, as ondas sonoras se espalham omnidirecionalmente, ou seja, para todos os lados, na forma de uma bolha. Portanto, se o cientista bidimensional medir a energia de seus sons, ele perceberá que parte da energia simplesmente sumiu, porque ela “vazou” para a terceira dimensão, à qual ele não tem acesso.

Também podemos medir as energias para descobrir se alguma coisa está “vazando” para uma quarta dimensão espacial. Infelizmente, testando essa possibilidade, os cientistas descobriram que toda a energia emitida sempre é encontrada na medida certa. Ou seja, não “vazam”.

Assim, até agora não há nenhuma evidência de uma dimensão espacial extra do tamanho das três que já conhecemos. Mas há outra possibilidade: as microdimensões, necessárias para uma teoria muito empolgante para os físicos, conhecida como Teoria das Cordas.

O problema da gravidade

Na natureza, existem quatro forças fundamentais — força fraca, força forte, força eletromagnética e força da gravidade. Todas funcionam por meio de partículas intermediadoras e podem ser explicadas pelo Modelo Padrão, exceto a gravidade.

Apesar de estar presente em todo o universo observável, a gravidade parece não funcionar em escalas muito pequenas, ou seja, entre as partículas. Por exemplo, os átomos se atraem entre si por meio da força eletromagnética, e não pela gravidade.

Os cientistas tentam testar a gravidade em escalas cada vez menores, chegando à incrível marca de detectar a força gravitacional de duas esferas de ouro de 1 milímetro e peso de 92 miligramas, separadas por 40 milímetros. O resultado mostrou que Einstein estava certo.

Por outro lado, os experimentos em colisores de partículas nunca encontraram nenhum sinal de força gravitacional entre as partículas sub-atômicas. Nos átomos, todas as partículas estão unidas pelas demais três forças.

Então, os físicos tentam descobrir onde está a gravitação quântica, para unificar o Modelo Padrão de partículas e a Relatividade Geral. Sem essa unificação, a compreensão do universo continua incompleta.

Uma das propostas mais populares para essa unificação é uma partícula gravitacional chamada Gráviton, ainda não detectada e, portanto, não confirmada. Outra hipótese, menos convencional — apesar de sua grande popularidade graças a divulgadores científicos famosos como Stephen Hawking — é a Teoria das Cordas.

Muitos físicos apostaram todas as suas fichas na Teoria das Cordas, porque ela funciona maravilhosamente bem na matemática. Ela é geralmente descrita como a solução matemática mais elegante já criada para responder questões incômodas, incluindo a gravidade quântica. Para isso, ela recorre a um universo com mais de 10 dimensões!

Muitas dimensões

Uma das primeiras versões da Teoria das Cordas precisava de 26 dimensões, mas já era interessante o suficiente para ser levada adiante. O problema é que havia limitações, como a falta de uma explicação para a matéria bariônica — ela explicava apenas os bósons, como fótons, por exemplo.

Outras versões foram propostas até chegarmos à mais completa já feita: a Teoria M. Nela, são apresentados conceitos como supercordas e supersimetria, que reduzem a quantidade de dimensões necessárias para 11, sem precisar alterar o Modelo Padrão. Significa que precisamos encontrar 7 dimensões superiores, já que conhecemos 4 delas — 3 espaciais e 1 temporal.

Dimensões extras podem ser melhor compreendidas por meio de analogias. Uma delas, bem apropriada para a Teoria das Cordas, é a de… uma corda. Para nós, cordas têm apenas uma dimensão, a largura. Se andarmos sobre ela, podemos ir apenas para frente e para trás. Mas isso não é verdade em escalas milimétricas.

Imagine uma formiga caminhando pela mesma corda. Para eles, além da largura, existe também a possibilidade de contornar o diâmetro, ou seja, ela pode caminhar para frente, para trás e para os lados. Contornando a corda, elas também estão acessando a dimensão da profundidade.

Se no lugar da corda tivermos uma mangueira de jardim, podemos ainda imaginar o interior do tubo como uma dimensão ainda mais escondida e inacessível para nós, mas totalmente familiar para a água.

Procurando 11 dimensões

Se essas dimensões existem, onde elas estão? E por que ainda não foram detectadas? A resposta é simples: elas são minúsculas. Tão pequenas que nem mesmo toda a energia dos colisores de partículas conseguem encontrar.

É possível testar se tais dimensões minúsculas existem, aproximando duas partículas carregadas até se aproximarem em níveis extremos. Elas jamais poderão se tocar, mas, teoricamente, poderiam se aproximar até a escala de Plank: 10⁻³⁵ metros.

O maior colisor de partículas do mundo, o Large Hadron Collider (LHC), pode medir as forças atrativas ou repulsivas entre partículas, mas em uma escala ainda longe da distância de Plank: uma separação da ordem de 10⁻¹⁸.metros (isso é um pouco menor que o diâmetro de um próton, enquanto o número de Plank é tão menor que nem vale a pena pensar muito nisso).

Se houvesse desvios (vazamentos) no comportamento esperado da força eletromagnética nesses experimentos, o LHC já teriam detectado. Contudo, isso ainda não acontece. Todos os resultados foram os mesmos previstos pelo Modelo Padrão e, portanto, não precisamos de nenhuma teoria adicional ou dimensões extras para explicá-los.

Por outro lado, não podemos testar em escalas de cerca de 10⁻¹⁹ metros até o número de Planck. Para isso, seria necessária uma energia muito maior do que a do HLC. Até lá, não podemos confirmar, nem descartar a existência das dimensões superiores.

Ainda assim, é uma teoria muito tentadora, porque além de funcionar lindamente na matemática, explica a gravidade quântica. Na Teoria das Cordas, a gravitação atua nessas dimensões ocultas, onde poderia estar o gráviton.

Os cientistas costumam chamar esse cenário de universo holográfico, no qual vivemos apenas sobre uma superfície produzida pela atuação das forças nas dimensões adicionais. A própria atuação da gravidade nessas dimensões minúsculas poderia gerar as demais três forças naturais.

Tudo isso é fascinante, ainda mais para os físicos teóricos que buscam uma Teoria de Tudo — a almejada unificação da gravidade com a mecânica quântica. Mas ainda não há evidências de que tais dimensões existam e, por enquanto, os cientistas precisam procurar por respostas em hipóteses mais fáceis de testar.