Há quase 25 anos, três renomados físicos — Michael Duff, Lev Okun e Gabriele Veneziano — se reuniam na cafeteria do Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (CERN). O tema do encontro era intrigante: quantas constantes fundamentais da natureza seriam necessárias para mensurar todos os fenômenos do Universo?
Okun sustentava que seriam imprescindíveis três padrões: um para distância, um para massa e outro para tempo, enfatizando a necessidade do sistema metro-quilograma-segundo (MKS) para expressar as grandezas da natureza.
Por outro lado, Veneziano propunha que apenas dois padrões seriam suficientes: um para distância e outro para tempo, argumentando que todas as grandezas poderiam ser medidas em metros e segundos. Enquanto isso, Duff optava por não se prender a um número fijo, afirmando que cada situação deveria ser analisada individualmente. A divergência entre eles se perpetuou, e, uma década depois, o trio decidiu documentar suas opiniões em um artigo notável que impactaria o campo da física.
O Desafio Científico
Anos mais tarde, um grupo de físicos brasileiros — Vicente Pleitez, Alberto Saa, Daniel Vanzella e eu — nos encontramos em um café próximo ao casarão que sedia o Instituto de Física Teórica da Unesp, discutindo a evolução imprevisível da ciência. Como pode haver acordo sobre a evolução do Universo e, ao mesmo tempo, desacordo sobre quantos padrões necessitamos para mensurar suas características? Essa questão se tornou uma prioridade em nossas discussões.
Estabelecido na década de 1960, o Sistema Internacional de Unidades (SI) baseia-se no sistema MKS. Embora o SI seja suficiente para representar todas as grandezas, esse fato é igualmente aplicável ao MKS, e essa era uma convenção unânime entre nós.
No entanto, será que realmente precisamos do quilo do MKS para medir massas? Surpreendentemente, a resposta é “não”.
A massa de um objeto, que determina sua atração gravitacional, pode ser quantificada através de medidas de comprimento e tempo. Em termos práticos, se medirmos a aceleração que uma partícula sofre (em metros por segundo ao quadrado – m/s²) ao se afastar de um corpo a uma certa distância (em metros – m), a massa desse corpo é igual ao produto entre a aceleração e o quadrado da distância. Por exemplo, a massa de um litro de água pode ser expressa como aproximadamente 0,000.000.000.067 m³/s².
Mas por que, então, foi necessário criar o conceito de “quilo”? Durante a Revolução Francesa, buscou-se simplificar os cálculos, estabelecendo que 1 litro de água corresponderia a 1 quilo. O fator que transforma unidades de m³/s² para quilo se relaciona à constante G da Gravitação Universal, facilitando o entendimento. Não obstante, vale mencionar que Isaac Newton, o criador da Lei da Gravitação Universal, viveu antes da introdução do quilo e nunca necessitou dele para definir massa. Embora o quilo seja uma ferramenta prática, sua utilização não é imperativa, permitindo a conclusão de que o formato MS já é suficiente para expressar todas as grandezas.
Superando as Divergências
Até o início do século XX, havia um consenso na física de que espaço e tempo eram absolutos. Sob essa ótica, seriam necessárias duas constantes fundamentais, cada uma correspondente a um padrão: um para distância e outro para tempo.
Entretanto, com a Revolução da Relatividade, entrou em cena a noção de que espaço e tempo estão interligados, formando um único conceito, o espaço-tempo. O verdadeiro avanço consiste em entender que, em um espaço-tempo relativístico, é viável medir distâncias apenas com relógios, eliminando a necessidade de réguas.
Um protocolo apresentado em um artigo de nossa autoria na revista Scientific Reports demonstra essa possibilidade, mostrando que distâncias podem ser expressas em segundos-luz.
Um segundo-luz representa a distância que a luz percorre em um segundo; ao multiplicar essa distância por 299.792.458, conseguimos a conversão para metros. Assim, um segundo-luz corresponde a cerca de 300.000 km, um pouco menos que a distância média entre a Terra e a Lua.
Diante do fato de que distâncias também podem ser medidas por meio de relógios, é possível descartar o M do MKS e concluir que, em contextos relativísticos, todas as grandezas podem ser quantificadas com relógios e expressas em segundos-luz. É crucial entender, no entanto, que espaços-tempos relativísticos devem ser acompanhados por relógios para fazer sentido, sendo o mesmo arranjo necessário para definir e testar essas estruturas o suficiente para mensurar todas as grandezas físicas que nelas habitam.
Assim, a resposta à indagação proposta por Duff, Okun e Veneziano é que o número de constantes fundamentais é, na verdade, uma única constante, pois todas as grandezas em um espaço-tempo relativístico podem ser medidas exclusivamente com relógios. Embora essa abordagem conceitual não seja a mais prática para medições cotidianas, ela nos permite uma compreensão mais clara da natureza, essencial para impulsionarmos o avanço em nosso conhecimento sem descuidos.
