Origem da massa é tema de ensaio de emérito

Mach ou Higgs?

Até meados da década de 1960, os cientistas acreditavam que a massa dos corpos era uma propriedade natural e, consequentemente, não requeria explicação ulterior. Ou dito de outro modo, epistemologicamente: não havia nem mecanismos, nem embasamento formal capaz de produzir explicação coerente e aceitável sobre a redução do conceito de massa (de todos os corpos existentes) a estruturas formais mais elementares. Com exceção do fóton, todas as partículas observadas na natureza têm massa.  

Existem duas propostas mais relevantes sobre a origem da massa de todos os corpos, que denominaremos mecanismo do bóson (de Higgs) e mecanismo gravitacional (de Mach).

Antes de os apresentarmos, devemos perguntar quais as condições que um processo físico deve satisfazer para que seja aceito como bom candidato a essa função – ou seja, a de gerar massa Isso simplifica bastante o desenrolar do inquérito que instaurarmos para entender a origem da massa.

A resposta é essencialmente técnica, mas pode ser sintetizada da seguinte forma: um mecanismo capaz de gerar massa para as partículas elementares se sustenta em três requisitos:

i) uma interação universal que atue sobre todos os corpos;ii) essa interação deve exibir explicitamente o modo como os corpos adquirem massa;

iii) um parâmetro livre capaz de dar valores distintos à massa das diferentes partículas.

Para satisfazer a primeira condição, havia duas opções: considerar o campo gravitacional ou postular a existência de um novo campo como agente de uma nova interação. Existiam várias razões para que os físicos de altas energias, envolvidos em descrever a microfísica, preferissem a ousadia e o caminho especulativo de propor a existência de um novo campo. Essa opção trazia certo número de respostas a outras questões relativas ao microcosmo. Mas, ao trilhar esse caminho, valiam-se de uma crítica negativa ao mecanismo gravitacional.

Com ou sem G?

Sabe-se que a força gravitacional é fraca. Consequentemente, embora a gravitação seja dominante em processos descritos na astronomia e cosmologia – que tratam de grandes quantidades de matéria e grandes dimensões de espaço e tempo –, pensava-se que ela não devia ter papel relevante no microcosmo. Pelo menos ao nível atômico e subatômico, essa força pode ser desprezada.

Tal característica deve-se ao fato de que a constante de Newton (G), que determina a intensidade da força gravitacional é extremamente pequena, se comparada às constantes envolvidas nas forças nucleares. Como se admitia – de maneira errônea, como se mostrou recentemente – que a fórmula da massa gerada a partir da interação gravitacional devia conter a constante G, concluiu-se que esse mecanismo não deveria ser um sério competidor de qualquer outro mecanismo que dependa de forças nucleares, muito mais intensas.

Foi somente após investigações realizadas em 2010 que esse argumento (aparentemente, sólido) desmanchou-se no ar. Contribuiu para isso o modo como o princípio de Mach – segundo o qual a massa de cada corpo depende das propriedades globais do universo – foi utilizado, como veremos adiante.

Mecanismo de Higgs

Na base dessa proposta, encontra-se a hipótese de que exista uma nova interação da física cujo grau de generalidade teve que ser postulado para preencher a primeira condição acima. Seu agente principal seria uma partícula que ficou conhecida como bóson de Higgs. A ela, está associado um campo que se estende no espaço-tempo, o campo de Higgs.

Assim como a gravitação é um processo não linear, propôs-se a hipótese de que o bóson de Higgs deveria também atuar sobre si mesmo. Graças a essa autointeração, esse campo admite a existência de um estado fundamental (o vazio) no qual sua correspondente energia constante se espalha por todo o espaço.

Pois é precisamente a energia desse estado fundamental que é a base do mecanismo de geração de massa proposto por Higgs.  É a partir desse estado fundamental que todas as outras partículas adquirem massa, que é, então, função direta do valor da energia desse estado de vazio do bóson de Higgs.

Podemos sintetizar esse mecanismo de Higgs da seguinte forma:

Toda partícula A está envolta em um mar de energia que representa localmente o estado mais fundamental do vácuo de um campo escalar especial (o bóson de Higgs). Esse envoltório é interpretado como a massa de A.

E a massa do Higgs?

Como consequência desse processo, uma característica desagradável aparece e produz uma dificuldade formal que somente recentemente foi resolvida, fora do mecanismo de Higgs.  Além da hipótese de que o bóson de Higgs tem um processo de autointeração, deve-se aceitar também que ele tem massa.

Sem essa massa, aquele estado fundamental não pode ser atingido, o que inibe a formação da configuração necessária para prover massa aos outros corpos. Isso porque a existência daquele vazio estável depende precisamente de uma combinação especial de valores que conectam a massa do bóson de Higgs a valores associados à sua autointeração.

Surge, então, a questão: qual a origem dessa massa do bóson de Higgs? Ou, de modo semelhante à nossa pergunta inicial, quem dá massa ao bóson de Higgs?

Indagação como essa não se aplica à gravitação, que é uma força de longo alcance. Ou seja, no mecanismo gravitacional, essa dificuldade de princípio não existe.

Mecanismo gravitacional

Essa dificuldade foi resolvida recentemente por meio de reinterpretação do princípio de Mach e de seu papel na geração da massa de todos os corpos. Como consequência desse novo procedimento, obtiveram-se duas propriedades essenciais, a saber:

i) na fórmula de massa obtida pelo mecanismo gravitacional, não aparece a constante de Newton;

ii) o mecanismo gravitacional independe das propriedades especificas do campo gravitacional.

Para conseguir demonstrar a existência formal de uma proposta que contivesse essas duas propriedades, foi necessário entender que a gravitação interage com a matéria de uma maneira um pouco mais complexa do que se suponha. A demonstração disso é técnica demais para que possamos descrevê-la aqui. No entanto, apenas para visualizar o que está em jogo, faremos breve comentário.

Há duas propriedades importantes em cena aqui: o modo como os corpos reagem a um campo gravitacional e a ação da energia do restante do universo sobre os corpos. Podemos descrevê-los resumidamente do seguinte modo:

A interação gravitacional – como descrita por Einstein, em sua teoria da relatividade geral – substitui o modo tradicional newtoniano de tratar a ação de uma força sobre um corpo pela modificação da estrutura métrica do espaço-tempo. Nessa interpretação, o mecanismo em questão se baseia na dependência dessa interação com a curvatura do espaço-tempo.

Ao aceitarmos a ideia de que as propriedades inerciais de um corpo A são determinadas pela distribuição de energia de todos os outros corpos do universo (formulação simples do princípio de Mach), essa estrutura global – ou domínio de influência de todos os demais corpos e campos capazes de influenciarem A – será chamada resto-do-universo de A.

Posto isto, uma questão aparece de imediato: como descrever esse estado universal que é capaz de levar em conta a contribuição do resto-do-universo sobre A?

Esse estado do resto-do-universo pode ser descrito como o estado fundamental da matéria, o estado do vazio (vácuo). Isto é, tudo se passa como se houvesse uma constante cosmológica Λ (lambda), e o corpo A se visse mergulhado em um mar de energia constante, distribuída homogeneamente em todo o espaço-tempo.

Usando esses dois procedimentos, realiza-se a função de doar massa para o corpo A. Talvez, a interpretação mais relevante desse mecanismo seja o reconhecimento de que a gravitação é somente um agente catalisador entre os corpos elementares e o resto-do-universo.  

Portanto, a ação desse resto-do-universo sobre A se dá pela interação gravitacional universal: o corpo A percebe o resto-do-universo como se estivesse mergulhado no vazio cósmico.

Podemos, então, sintetizar esse mecanismo assim:

Pelo mecanismo gravitacional, toda partícula A está envolta em um mar de energia que representa localmente o estado mais fundamental do vácuo de todo o universo, interpretado como uma constante cosmológica. Esse envoltório é interpretado como a massa de A.

Lambda versus vácuo quântico

Os dois mecanismos de gerar massa apresentados aqui se baseiam numa mesma estrutura fundamental: um estado do vazio descrito por uma distribuição de energia constante em todo o espaço. A massa aparece como resposta individual de cada corpo a esse estado de excitação fundamental, a esse mar de energia invisível – mas mensurável – que pode ser identificado ou com uma constante cosmológica, ou com o vácuo quântico.

A principal distinção entre eles reside na origem desse estado. O cenário de Higgs requer tanto a presença de um novo campo da física (e de uma nova partícula) com propriedades especiais (massa) quanto de um processo de autointeração, ambos relacionados entre si por valores bem específicos.

O cenário gravitacional tem várias vantagens sobre o de Higgs, pois as condições requeridas para que ele conceda massa aos corpos não são difíceis de serem satisfeitas – e, particularmente, é uma hipótese adicional esdrúxula aceitar que o campo de Higgs interaja com todos os corpos. No entanto, não há dúvida alguma quanto à universalidade da gravitação.

Em suma, o mecanismo de concessão de massa no processo da interação gravitacional se dá a partir de um estado fundamental cuja energia é descrita por um tensor de energia proporcional à métrica do espaço-tempo. Essa constante de proporcionalidade, introduzida por Einstein há mais de um século, é chamada constante cosmológica (Λ). 

É possível imitar essa distribuição de energia do vazio cosmológico de Einstein – gerado pela constante cosmológica – com base em um estado quântico de um campo qualquer – por exemplo, o campo de Higgs. É essa propriedade dos campos quânticos que permite ao modelo do bóson de Higgs copiar o mecanismo de geração de massa gravitacional.

No entanto, a simplicidade da argumentação do cenário gravitacional, associado à sua universalidade, conduz inevitavelmente à conclusão de que o mecanismo gravitacional deve ser entendido como o verdadeiro gerador da massa de todos os corpos.

Ou seja, contrariamente ao que afirmam Higgs e seus colegas, Einstein e Mach estavam certos.

Mario Novelo

Pesquisador emérito

CBPF

Referências:

Novello, M. ‘The gravitational mechanism to generate mass’ in Class. Quantum Grav. 28 (2011) 035003

Novello, M. ‘What is the origin of the mass of the Higgs boson?’ in Phys. Rev. D 86 (2012) 063510