Supercordas
TEORIA DAS CORDAS
Teoria das cordas é um modelo físico matemático onde os blocos fundamentais são objetos extensos unidimensionais, semelhantes a uma corda, e não pontos sem dimensão (partículas), que são a base da física tradicional. Por essa razão, as teorias baseadas na teoria das cordas podem evitar os problemas associados à presença de partículas pontuais (entenda-se de dimensão zero ou nula) em uma teoria física tradicional,sem necessidade de outros objetos que não propriamente cordas - incluindo pontos, membranas e outros objetos de dimensões mais altas.
O estudo da teoria foi iniciado na década de 60 e teve a participação de vários físicos para sua elaboração. Essa teoria propõe unificar toda a física e unir a teoria da relatividade e a teoria quântica numa única estrutura matemática. Embora não esteja totalmente consolidada, a teoria mostra sinais promissores de sua plausibilidade. O interesse na teoria das cordas é dirigido pela grande esperança de que ela possa vir a ser uma teoria de tudo. Ela é uma possível solução do problema da gravitação quântica e, adicionalmente à gravitação, talvez possa naturalmente descrever as interações similares ao eletromagnetismo e outras forças da natureza.
As teorias das supercordas incluem os férmions, os blocos de construção da matéria. Não se sabe ainda se a teoria das cordas é capaz de descrever o universo como a precisa coleção de forças e matéria que nós observamos, nem quanta liberdade para escolha destes detalhes a teoria irá permitir. Nenhuma teoria das cordas fez alguma nova predição que possa ser experimentalmente testada.
Trabalhos na teoria das cordas têm levado a avanços na matemática, principalmente em geometria algébrica. A teoria das cordas tem também levado a novas descobertas na teoria da supersimetria que poderão ser testadas experimentalmente pelo Grande Colisor de Hádrons. Os novos princípios matemáticos utilizados nesta teoria permitem aos físicos afirmar que o nosso universo possui 11 dimensões: 3 espaciais (altura, largura e comprimento), 1 temporal (tempo) e 7 dimensões recurvadas (sendo a estas atribuídas outras propriedades como massa e carga elétrica, por exemplo), o que explicaria as características das forças fundamentais da natureza.[nota 1]
Depois de dividir o átomo em prótons, nêutrons e elétrons, os cientistas ainda puderam dividir os prótons e nêutrons em quarks, dos quais existem seis categorias diferentes, das quais apenas dois existem atualmente (up e down), pois os demais (strange, charm, top e bottom) são muito mais massivos e portando decaem muito rapidamente, e que, combinadas, formam todos os tipos de partículas do Universo até hoje previstos.
O que alguns físicos viram como uma possível solução para este problema foi a criação de uma teoria, ainda não conclusiva, que diz que as partículas primordiais são formadas por energia (não necessariamente um tipo específico de energia, como a elétrica ou nuclear) que, vibrando em diferentes frequências, formaria diferentes partículas. De acordo com a teoria, todas aquelas partículas que considerávamos como elementares, como os quarks e os elétrons, são na realidade filamentos unidimensionais vibrantes, a que os físicos deram o nome de cordas. Ao vibrarem as cordas originam as partículas subatômicas juntamente com as suas propriedades.
Para cada partícula subatômica do universo, existe um padrão de vibração particular das cordas. A analogia da teoria consiste em comparar esta energia vibrante com as cordas. As de um violão, por exemplo, ao serem pressionadas em determinado ponto e feitas vibrar produzem diferentes sons, dependendo da posição onde são pressionadas pelo dedo. O mesmo ocorre com qualquer tipo de corda. Da mesma forma, as diferentes vibrações energéticas poderiam produzir diferentes partículas (da mesma forma que uma corda pode produzir diferentes sons sem que sejam necessárias diferentes cordas, uma para cada som).
Depois de formular a teoria da relatividade geral, Einstein dedicou praticamente suas últimas três décadas de vida à tentativa de unificar, numa só teoria, a força eletromagnética e a força gravitacional. Uma proposta a que Einstein se dedicou foi a idealizada, independentemente, pelo físico alemão Theodor Kaluza e o sueco Oskar Klein. Nela, além das três dimensões usuais de altura, largura e comprimento, o espaço teria uma dimensão a mais. Mas, diferentemente das três dimensões em que vivemos, cujos tamanhos são infinitos, a dimensão extra da teoria de Kaluza e Klein teria a forma de um círculo com raio muito pequeno. Partículas andando no sentido horário do círculo teriam carga elétrica negativa (como o elétron), enquanto aquelas se movimentando no sentido anti-horário seriam positivas (como o pósitron). Partículas paradas em relação a essa quarta dimensão espacial teriam carga elétrica zero (como o neutrino).
Embora a teoria de Kaluza e Klein unificasse a força gravitacional com a força eletromagnética, ela ainda era inconsistente com a mecânica quântica. Essa inconsistência só seria resolvida 50 anos mais tarde, com o surgimento de uma nova teoria na qual o conceito de partícula como um ponto sem dimensão seria substituído pelo de objetos unidimensionais. Alguns anos depois uma nova teoria foi criada com o mesmo objetivo, a teoria do Tudo que busca unificar todos os campos da física quântica, a relatividade de Einstein, e o eletromagnetismo com a força da gravidade.
História
Gabriele Veneziano, em 1968, tentando descobrir o sentido de algumas propriedades da força nuclear forte, percebeu que uma fórmula do matemático Leonhard Euler podia descrever todas as propriedades das partículas que possuem interação forte.[1] Com essa descoberta, uma grande quantidade de pesquisas em relação à aplicação da função beta de Euler às partículas de interação forte foram feitas. Contudo, ninguém sabia o motivo da fórmula funcionar. Em 1970, Yoichiro Nambu e Holger Nielsen mostraram que se as partículas elementares fossem formadas de minúsculas cordas vibrantes e unidimensionais, suas interações poderiam ser descritas exatamente pela função de Euler.[2]
A teoria das cordas foi originalmente inventada para explicar as peculiaridades do comportamento do hádron. Em experimentos em aceleradores de partículas, os físicos observaram que o momento angular de um hádron é exatamente proporcional ao quadrado de sua energia. Nenhum modelo simples dos hádrons foi capaz de explicar este tipo de relação. Um dos modelos rejeitados tenta explicar os hádrons como conjuntos de partículas menores mantidas juntas através de forças similares à força elástica. A fim de considerar estas "trajetórias de Regge" os físicos voltaram-se para um modelo onde cada hádron era de fato uma corda rotatória, movendo-se de acordo com a teoria da relatividade especial de Einstein. Isto levou ao desenvolvimento da teoria bosônica das cordas, que ainda é, geralmente, a primeira versão a ser ensinada aos estudantes. A necessidade original de uma teoria viável para os hádrons foi completamente preenchida pela cromodinâmica quântica, a teoria dos quarks e suas interações. Tem-se a esperança agora que a teoria das cordas ou algumas de suas descendentes irão prover uma compreensão mais fundamental dos quarks em si.
Em termos da teoria de perturbação de acoplamento fraco parece haver apenas cinco consistentes teorias das supercordas conhecidas como: Tipo I, Tipo IIA, Tipo IIB, Tipo Heterótica SO(32) e Heterótica E8×E8.
A teoria bosônica das cordas é formulada em termos da ação Nambu-Goto, uma quantidade matemática que pode ser usada para predizer como as cordas se movem através do espaço e do tempo. Pela aplicação das ideias da mecânica quântica às ações Nambu-Goto --- um procedimento conhecido como quantização --- pode-se deduzir que cada corda pode vibrar em muitos diferentes modos, e que cada estado vibracional representa uma partícula diferente. A massa da partícula e a maneira que ela pode interagir são determinadas pela forma de vibração da corda --- em essência, pela "nota" que a corda produz. A escala de notas, cada uma correspondente a um diferente tipo de partícula, é denominada o "espectro" da teoria.
Estes modelos iniciais incluem cordas abertas, que têm duas pontas distintas, e cordas fechadas, onde as pontas são juntas de forma a fazer uma volta completa. Os dois tipos de corda diferem ligeiramente no comportamento, apresentando dois espectros. Nem todas as teorias de cordas modernas usam estes dois tipos; algumas incorporam somente a variedade fechada.
Entretanto, a teoria bosônica tem problemas. Mais importante, como o nome implica, o espectro de partículas contém somente bósons, partículas como o fóton, que obedecem regras particulares de comportamento. Ainda que os bósons sejam um ingrediente crítico do universo, eles não são o únicos constituintes. Investigações de como uma teoria poderia incluir férmions em seu espectro levaram à supersimetria, uma relação matemática entre os bósons e férmions, que agora forma uma área independente de estudo. As teorias de cordas que incluem vibrações de férmions são agora conhecidas como teorias das supercordas. Vários tipos diferentes de supercordas têm sido descritos.
Nos anos 90, Edward Witten e outros encontraram fortes evidências de que as diferentes teorias de supercordas eram limites diferentes de uma teoria desconhecida em 11 dimensões, chamada de Teoria-M. Esta descoberta foi a espoleta da segunda revolução das supercordas. Vários significados para a letra "M" têm sido propostos; físicos jocosamente afirmam que o verdadeiro significado só será revelado quando a teoria final for compreendida.
Muitos dos desenvolvimentos recentes nestes campos relacionam-se às D-branas, objetos que os físicos descobriram que também devem ser incluídos em qualquer teoria de cordas abertas.
Propriedades básicas
O termo "teoria das cordas" pode referir-se tanto à teoria bosônica das cordas, com 26 dimensões, como à teoria das supercordas, descoberta pela adição da supersimetria, com suas 10 dimensões. Atualmente, o termo "teoria das cordas" usualmente refere-se à variante supersimétrica, enquanto as anteriores são designadas pelo nome completo "teoria bosônica das cordas'.
Enquanto a compreensão de detalhes das teorias das cordas e supercordas requer uma considerável sofisticação matemática, algumas propriedades qualitativas das cordas quânticas podem ser compreendidas de forma intuitiva. Por exemplo, cordas quânticas têm tensão, da mesma forma que um barbante. Esta tensão é considerada um parâmetro fundamental da teoria e está intimamente relacionada ao seu tamanho. Considere uma corda em loop fechado, abandonada para se mover através do espaço sem forças externas.
Esta tensão tenderá a contraí-la cada vez mais para um loop menor. A intuição clássica sugere que ela deva encolher até um simples ponto, mas isto violaria o Princípio da incerteza de Heisenberg. O tamanho característico do loop da corda é um equilíbrio entre a força de tensão, atuando para reduzi-lo, e o princípio da incerteza, que procura mantê-lo aberto. Consequentemente, o tamanho mínimo de uma corda deve estar relacionado com a tensão que ela sofre.
As dimensões extras
Um aspecto intrigante da teoria das cordas é que ela prediz o número de dimensões que o universo deve possuir. Nada na teoria de Maxwell do eletromagnetismo ou na Teoria da Relatividade de Einstein faz qualquer tipo de predição a este respeito. Estas teorias requerem que o físico insira o número de dimensões "na mão". A primeira pessoa a adicionar uma quinta dimensão na teoria da relatividade foi o matemático alemão Theodor Kaluza em 1919. A razão para que a quinta dimensão não seja observável (sua compactação) foi sugerida pelo físico sueco Oskar Klein em 1926.
Ao invés disto, a teoria das cordas permite calcular o número de dimensões espaço-temporais a partir de seus princípios fundamentais. Tecnicamente, isto acontece porque a invariância de Lorentz só pode ser satisfeita em um certo número de dimensões. Isto é, grosso modo, como dizer que se nós medíssemos a distância entre dois pontos, então girássemos nosso observador para um novo ângulo e a medíssemos novamente, a distância observada somente permaneceria a mesma se o universo tivesse um número particular de dimensões.
O único problema é que quando este cálculo é feito, o número de dimensões do universo não é quatro como esperado (três eixos espaciais e um no tempo), mas vinte e seis. Mais precisamente, a teoria bosônica das cordas tem 26 dimensões, enquanto a teoria das supercordas e a Teoria-M envolvem em torno de 10 ou 11 dimensões. Na teoria de Rambu, as 26 dimensões vêm da equação:
[1-(D-2)/24]=0
Contudo, este modelo parece contradizer fenômenos observados. Físicos usualmente resolvem este problema de duas formas diferentes. A primeira é a compactação das dimensões extras, i.e., as 6 ou 7 dimensões extras são tão pequenas que não são detectadas em nossos experimentos. Obtém-se a solução de modelos hexadimensionais espaços Calabi-Yau. Em 7 dimensões, elas são chamadas distribuições G2. Essencialmente estas dimensões extras estão "compactadas" pelo seu enrolamento sobre elas mesmas.
Uma analogia padrão para isto é considerar um espaço multidimensional como uma mangueira de jardim. Se se observar a mangueira de uma distância considerável, ela aparenta ter somente uma dimensão, o comprimento. Isso é semelhante às quatro dimensões macroscópicas com as quais estamos acostumados a lidar em nosso dia a dia. Se, no entanto, nos aproximarmos o suficiente da mangueira, descobrimos que ela contém uma segunda dimensão, sua circunferência. Esta "dimensão extra" é somente visível dentro de uma área relativamente próxima da mangueira, justo como as dimensões extras do espaço Calabi-Yau são visíveis a distâncias extremamente pequenas e, portanto não são facilmente detetáveis.
Certamente, cada mangueira de jardim existe nas 3 dimensões espaciais, mas por propósito de analogia, pode-se negligenciar a espessura e considerar somente a noção de superfície da mangueira. Um ponto na superfície da mangueira pode ser especificado por dois números, uma distância ao longo da circunferência, tal como um ponto da superfície da Terra pode ser especificado pela latitude e longitude. Em ambos os casos, diz-se que o objeto tem duas dimensões espaciais. Como a Terra, mangueiras de jardim possuem um interior, uma região que requer uma dimensão extra. No entanto, diferentemente da Terra, um espaço de Calabi-Yau não tem interior.
Outras possibilidades é que nós estejamos presos em subespaço com 3+1 dimensões de um universo com mais dimensões, onde o "3+1" faz-nos lembrar que o tempo é um tipo diferente de dimensão espacial. Como isso envolve objetos chamados D-branas, esta teoria é conhecida como mundo de brana.
Em ambos os casos, a gravidade atuando nas dimensões ocultas produz as outras forças não-gravitacionais tais como o eletromagnetismo. Em princípio, portanto, é possível deduzir a natureza destas dimensões extras pela necessidade de consistência com o modelo padrão, mas esta não é ainda uma possibilidade prática.
Dualidades
Artigo Principal: S-dualidade e dualidade T
Um fato notável sobre a teoria das cordas é que as diferentes versões da teoria se revelam relacionadas de maneira altamente não trivial. Uma das relações que existem entre diferentes teorias é chamada de S-dualidade. Esta é uma relação que diz que uma coleção de partículas interagindo em uma teoria pode, em alguns casos, ser vista como uma coleção de partículas de interação fraca em uma teoria completamente diferente. Em termos aproximados, diz-se que uma coleção de partículas interage fortemente se eles se combinam e se deterioram com frequência e interagem fracamente, se o fizerem com pouca frequência. A teoria das cordas de tipo I acaba por ser equivalente pela S-dualidade à teoria de cordas heteróticas SO (32). Da mesma forma, a teoria das cordas do tipo IIB está relacionada a si mesma de forma não trivial pela S-dualidade.[3]
Outro relacionamento entre diferentes teorias é a dualidade T. Aqui, considerou-se que as cordas se propagavam em torno de uma dimensão extra circular. A dualidade T indica que a cadeia que se propaga em torno de um círculo de raio R é equivalente a uma cadeia que se propaga em torno de um círculo de raio 1 / R no sentido de que todas as quantidades observáveis em uma descrição são identificadas com quantidades na descrição dupla. Por exemplo, a corda tem momento à medida que se propaga em torno de um círculo, e também poder serpentear ao redor do círculo uma ou mais vezes.
O número de vezes que a corda serpenteia ao redor de um círculo é chamado de número de enrolamento. Se a corda tiver o momento p e o número de enrolamento n em uma descrição, ele terá momento n e número de enrolamento p na descrição dupla. Por exemplo, a teoria de cordas do tipo IIA é equivalente à teoria das cordas do tipo IIB através da dualidade T, e as duas versões da teoria das cordas heteróticas também são relacionadas pela dualidade T.[3]
Em geral, o termo dualidade refere-se a uma situação em que dois sistemas físicos aparentemente diferentes tornam-se equivalentes de maneira não trivial. Duas teorias relacionadas por uma dualidade não precisam ser parte da teorias das cordas. Por exemplo, a dualidade de Montonen-Olive é um exemplo de uma relação de S-dualidade entre teorias do campos quânticos. A correspondência AdS / CFT é um exemplo de uma dualidade que relaciona a teoria das cordas com uma teoria do campo quântico. Se duas teorias estão relacionadas a uma dualidade, isso significa que uma teoria pode ser transformada de alguma forma, de modo que ela acaba aparecendo como a outra teoria. As duas teorias são, então, ditas duais dentro da transformação. Dito de outra forma, as duas teorias são descrições matematicamente diferentes dos mesmos fenômenos.[4]
Branas
Veja também: P-brana e D-brana
Na teoria das cordas e outras teorias relacionadas, uma brana é um objeto físico que generaliza a noção de uma partícula pontual para dimensões superiores. Por exemplo, uma partícula pontual pode ser vista como uma brana de dimensão zero, enquanto uma corda pode ser vista como uma brana de dimensão um. Também é possível considerar branas de maior dimensão. Na dimensão p, estes são chamados p-branas. A palavra brana vem da palavra "membrana" que se refere a uma brana bidimensional.[5]
Branas são objetos dinâmicos que podem se propagar através do espaço-tempo de acordo com as regras da mecânica quântica. Eles têm massa e podem ter outros atributos como carga. Uma p-brana varre um volume dimensional (p + 1) no espaço-tempo chamado de seu volume-mundo. Os físicos frequentemente estudam campos análogos ao campo eletromagnético em que vivem o volume-mundo de uma brana.[5]
Na teoria das cordas, as D-branas são uma classe importante de branas que surgem quando se considera as cordas abertas. À medida que uma corda aberta se propaga através do espaço-tempo, seus pontos de extremidade são obrigados a residir em um D-brana. A letra "D" em D-brana refere-se a uma certa condição matemática no sistema conhecido como condição de contorno de Dirichlet. O estudo de D-branas na teoria das cordas levou a resultados importantes, como a correspondência AdS / CFT, que revelou muitos problemas na teoria do campo quântico.[5]
Teoria-M
Artigo principal: Teoria-M
Antes de 1995, os teóricos acreditavam que havia cinco versões consistentes da teoria das supercordas (tipo I, tipo IIA, tipo IIB e duas versões da teoria das cordas heteróticas). Esse entendimento mudou em 1995, quando Edward Witten sugeriu que as cinco teorias eram apenas casos limitantes especiais de uma teoria de onze dimensões chamada Teoria-M. A conjectura de Witten baseou-se no trabalho de vários outros físicos, incluindo Ashoke Sen, Chris Hull, Paul Townsend e Michael Duff. Seu anúncio levou a uma agitação de atividade de pesquisa agora conhecida como a segunda revolução das supercordas.[6]
Problemas
A teoria das cordas permanece não verificada. Nenhuma versão da teoria das cordas fez ainda uma predição diferente de alguma feita por outras teorias; ao menos, nenhuma que pudesse ser verificada por um experimento atualmente realizável. Neste sentido, a teoria das cordas está em "estado larval": ela possui muitos aspetos de interesse matemático, e isto ainda deve se tornar de suprema importância para nossa compreensão do universo, mas isto ainda vai requerer mais desenvolvimentos para ser aceito ou negado. Uma vez que a teoria das cordas não possa ser testada em um futuro próximo, alguns cientistas têm se perguntado se ela merece mesmo ser chamada de uma teoria científica: ela não é ainda um teoria rejeitável ou falseável no sentido dado por Popper.
Isto não significa que ela seja a única teoria corrente que começou a ser desenvolvida que oferece estas dificuldades. Muitos novos desenvolvimentos podem passar através de um estágio de incerteza antes de se tornarem conclusivamente aprovados ou rejeitados. Como assinalado por Richard Feynman em The Character of Physical Law, o teste chave da teoria científica é se suas consequências concordam com as medições que obtivemos do experimento. Isto significa que não importa quem inventou a teoria, "qual é o seu nome", ou mesmo qual apelo estético a teoria venha ter. "Se ela não está de acordo como os experimentos, ela está errada."
(Certamente, haveria outras possibilidades: alguma coisa pode estar errada com os experimentos, ou talvez tenha se cometido um erro ao prever as consequências da teoria. Todas estas possibilidades devem ser verificadas, o que pode tomar um tempo considerável). Estes desenvolvimentos podem se dar na teoria em si, tais como novos métodos de realizar os cálculos e produzir previsões, ou devem ocorrer nos experimentos em si, que passam a exibir quantidades antes imensuráveis.
A humanidade não tem atualmente tecnologia para observar as cordas (que se acredita terem aproximadamente o Comprimento de Planck, em torno de 10−35 m). Em algum momento poderemos ser capazes de observar as cordas de uma forma significativa, ou ao menos obter uma percepção mais substancial pela observação de fenômenos cosmológicos que elucidem a física das cordas.
No início dos anos 2000, teóricos da teoria das cordas retomaram seu interesse em um velho conceito, a corda cósmica. Originalmente discutida nos anos 1980, cordas cósmicas são objetos diferentes em relação às entidades da teoria das supercordas. Por vários anos, cordas cósmicas eram um modelo popular para explicar vários fenômenos cosmológicos, tais como o caminho que foi seguido para a formação das galáxias no início do universo. Apesar disso, novos experimentos — em particular medições detalhadas da radiação cósmica de fundo em micro-ondas — falharam em apoiar as predições do modelo da corda cósmica e ela saiu de moda.
Se tais objetos existiram, eles devem ser raros e bem esparsos. Vários anos mais tarde, foi apontado que a expansão do universo poderia ter esticado a corda fundamental (do mesmo tipo considerado pela teoria das supercordas) até que ela atingisse o tamanho intergaláctico. Tal corda esticada pode exibir muitas propriedades da variação da velha corda "cósmica", tornando os velhos cálculos úteis novamente. Além disto, as teorias modernas das supercordas oferecem outros objetos que poderiam ter uma razoável semelhança com cordas cósmicas, tais como D-branas unidimensionais altamente alongadas (conhecidas como "D-cordas").
Como o teórico Tom Kibble comenta, "cosmologistas da teoria das cordas têm descoberto cordas cósmicas observando em todos os lugares escondidos". Velhas propostas para detecção de cordas cósmicas podem agora ser usadas para investigar a teoria das supercordas. Por exemplo, astrônomos têm também detetado uns poucos casos do que podem ser lentes gravitacionais induzidas por cordas.
Super-cordas, D-cordas ou outros tipos de corda esticadas na escala intergaláctica devem irradiar ondas gravitacionais, que podem ser presumivelmente detetadas usando experimentos como o LIGO. Elas também devem causar ligeiras irregularidades na radiação de micro-ondas de fundo, muito sutis para terem sido detetadas ainda, mas na esfera das possíveis observações no futuro.
Embora intrigantes, estes propósitos cosmológicos falham em um sentido: testar uma teoria requer que o teste seja capaz de derrubar (ou provar falsa) uma teoria. Por exemplo, se a observação do Sol durante um eclipse não tivesse mostrado que a gravidade é capaz de desviar a luz, teria sido provado que a teoria da relatividade geral de Einstein era falsa (eliminando, é claro, a chance de erro experimental).
Não encontrar cordas cósmicas não demonstraria que a teoria das cordas é fundamentalmente errada — meramente que a ideia particular de uma corda altamente esticada atuando "cosmicamente" é um erro. Enquanto muitas medições podem, em princípio, ser feitas para sugerir que a teoria das cordas está no caminho certo, os cientistas ainda não divisaram um "teste" confiável.
Em um nível mais matemático, outro problema é que, como a teoria quântica de campos, muito da teoria das cordas é ainda somente formulado através da técnica da perturbação (isto é, como uma série de aproximações ao invés de uma solução exata). Embora técnicas não-perturbativas tenham tido um progresso considerável — incluindo definições de conjeturas completas envolvendo tempo-espaço satisfazendo princípios assintóticos — a definição de uma teoria não-perturbativa completa é uma lacuna a ser preenchida.
SUPERCORDAS
Em 1919 o físico e matemático alemão Theodor Franz Eduard Kaluza propôs uma teoria controvertida, segundo a qual o Universo seria composto não apenas de três dimensões espaciais. Da mesma forma que o sueco Oskar Klein, ele previu pelo menos uma esfera a mais, distinta das outras – largura, altura, comprimento – por configurar um formato circular constituído por um raio minúsculo.
Na teoria elaborada por estes cientistas já se visualiza a presença de partículas de cargas opostas circulando em sentidos contrários – as negativas, tais como os elétrons, caminham na direção horária, enquanto as positivas, como os pósitrons, se movem no sentido anti-horário. Algumas partículas se mantêm estáveis no que se refere a esta nova dimensão, configurando uma carga zero, é o caso dos neutrinos.
Este esboço teórico ainda não consegue conciliar a mecânica quântica, a qual trabalha com as subpartículas atômicas, e a teoria da relatividade, de Einstein, que atua em esferas mais amplas, como, por exemplo, com estrelas e galáxias. Meio século depois, porém, nasce uma nova teoria que alcança este objetivo, unir os dois principais sustentáculos da Física Moderna.
A Teoria das Supercordas, fruto do século XX, postula a ideia de que o quark, a mínima partícula encontrada nas camadas subatômicas, é tecido por supercordas, fios energéticos que, ao vibrarem, determinam como será a natureza do núcleo atômico ao qual estão conectados, definindo desta forma como atuará a partícula que contém esta energia vibracional. Desta forma é possível aliar os mecanismos que regem a Teoria de Einstein e as leis da Mecânica Quântica.
Parte-se da constatação científica de que existem, na verdade, 11 dimensões, três de natureza espacial, uma temporal e sete recurvadas, as quais incorporam também massa atômica e carga elétrica, entre outras características. Estas outras esferas não seriam visíveis, como sugerem os estudiosos desta teoria, por não captarem a luz, essencial para que possamos ver e conhecer.
A realidade humana, portanto, se desenrola apenas nas três dimensões às quais o Homem já está habituado, pois apenas elas filtram a radiação luminar necessária para nossa visão e compreensão do universo familiar. As demais esferas constituem, portanto, realidades paralelas.
As investigações sobre as Supercordas principiaram nos anos 60, contando com a atuação de inúmeros físicos para sua constituição enquanto teoria científica. Pretende-se com este corpo teórico explicar tudo, englobando todos os fenômenos físicos, e assim conectar definitivamente a Teoria da Relatividade e a Física Quântica em um único bloco da disciplina matemática.
A Teoria das Supercordas seria colocada à prova em 2007, quando se concluiu a construção, na Suíça, do maior acelerador de partículas do Planeta, o Large Hadron Collider, que testaria um dos conceitos-chave desta nova ciência, a supersimetria. A experiência, até o momento, não foi concretizada.
De acordo com esta idéia, para cada subpartícula estudada, há uma contraparte que a completa simetricamente. A outra partícula, ainda não acessível ao conhecimento humano, é supostamente mais densa que as convencionais, assim ela requer uma energia maior para ser produzida. Espera-se que o colisor suíço seja poderoso o suficiente para criar esta subpartícula e assim contribua para comprovar cientificamente a Teoria das Supercordas.
https://www.infoescola.com/fisica/teoria-das-supercordas/
A teoria das supercordas, ou teoria das cordas supersimétricas, é uma versão da teoria das cordas, que incorpora férmions e supersimetria.[1]
Essa teoria requer um mundo de 10 dimensões,[2] com algumas enroladas em um nível microscópico e algumas dimensões "grandes" que percebemos como "real". Caso contrário, há efeitos quânticos que tornam a teoria inconsistente ou 'anômala'. Em 10 dimensões do espaço-tempo, os efeitos podem precisamente se cancelar deixando a teoria livre de anomalias. Entretanto, ela cria um mundo onde a distinção entre o espaço e o tempo é falacioso (como descrito pela relatividade geral). Um mundo onde, de fato, a própria noção de espaço-tempodesaparece.
No caso da teoria das cordas, a consistência requer que o espaço-tempo tenha 10 dimensões (espaço regular 3D + 1 tempo + hiperespaço 6D).[3][4] No espaço-tempo de 10 dimensões da teoria das supercordas, ainda é observado apenas um espaço-tempo tetra-dimensional. Para, de alguma forma, as supercordas descrever o nosso universo, as 6 dimensões extras se enrolam em um pequeno espaço compacto. Se o tamanho do espaço compacto é da ordem da escala das cordas (10-33 cm), não seriamos capazes de detectar a presença destas dimensões extras diretamente - elas são muito pequenas. O resultado final é que voltamos ao nosso familiar (3D + 1T) mundo dimensional, mas há uma "bola" muito pequena de 6 espaços dimensional associada a cada ponto do nosso universo tetra-dimensional.
No início de 1980, Edward Witten descobriu que a maioria das teorias da gravidade quântica não poderia acomodar fermiões quirais como o neutrino.[5] Isso levou-o, em colaboração com Luis Alvarez-Gaume, a estudar as violações das leis de conservação nas teorias de gravidade com anomalias,[6] concluindo que o tipo I da teorias de cordas era inconsistente. Green e Schwarz descobriram uma contribuição para a anomalia[7] que Witten e Alvarez-Gaume não tinham visto, que restringiu o grupo de calibre do tipo da teoria das cordas a ser SO(32).[8] Ao começar a entender este cálculo, Edward Witten convenceu-se de que a teoria das cordas era realmente uma teoria consistente da gravidade, e tornou-se um grande defensor das supercordas. Seguindo o exemplo de Witten, entre 1984 e 1986, centenas de físicos começaram a trabalhar neste campo, e isso às vezes é chamada a primeira revolução das supercordas.[9]
Em 1995, na conferência anual dos teóricos das cordas da Universidade do Sul da Califórnia (USC), Edward Witten fez um discurso sobre a teoria das cordas que, em essência, uniu as cinco teorias das cordas que existiam na época,dando origem a uma nova teoria dimensional com 11 dimensões, chamada teoria-M. A Teoria-M também foi prefigurado na obra de Paul Townsend[10] aproximadamente ao mesmo tempo. A onda de atividade que começou neste momento é às vezes designada de segunda revolução das supercordas.[11]A teoria-M tem o mérito de englobar as teorias de super-cordas e de constituir um quadro de trabalho muito elegante e abrangente. No entanto, tal como as super-cordas, estamos muito longe de poder testar experimentalmente esta teoria.[12]
5 tipos de teorias
Em termos da teoria de perturbação de acoplamento fraco parece haver apenas cinco consistentes teorias das supercordas conhecidas como: Tipo I SO(32) [nota 1],[13] Tipo IIA, Tipo IIB[nota 2], Tipo Heterótica SO(32) e Heterótica E8×E8 [nota 3].[14]
Teoria das supercordas pode explicar
como tudo se originou no Universo
Físico ensina como o quark, a menor partícula do átomo, é formado
Em uma escala decrescente, a matéria é formada por moléculas, cuja composição é feita por átomos, que possuem elétrons orbitando em torno de um núcleo constituído por prótons e nêutrons. Os prótons, por sua vez, são compostos pelos quarks, a menor partícula de que se tem conhecimento na natureza. Mas como os quarks são formados? Segundo os cientistas, a resposta a essa pergunta carrega em torno de si não somente a chave que desvenda a origem do Universo, mas também os conceitos para entender os princípios elementares da física, como a formação da matéria e a origem das forças gravitacionais.
Segundo a Teoria das Supercordas, as partículas subatômicas são, na verdade, resultados do comportamento de pequenas cordas que, ao vibrarem, emitem matéria, no caso, os quarks. Da mesma forma que as cordas de um violão emitem sons ao serem tocadas, a vibração das supercordas emite quarks.
O físico José Helayël, pesquisador e professor do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas do Rio de Janeiro (CBPF), lembra que a Teoria das Supercordas tem por objetivo descrever o maior número possível de fenômenos que ocorrem nas instâncias mais elementares da física. Seria essa uma espécie de teoria que explicasse tudo? “De um ponto de vista puramente de princípios, sim, pois as supercordas descreveriam todos os fenômenos da natureza como, por exemplo, a formação da matéria nuclear a partir da energia inicial do Universo. Estaríamos fazendo física com uma teoria realmente fundamental, para objetos os mais elementares possíveis”, explica Helayël.
Em princípio, comprovar a existência das supercordas, reforçando uma teoria que fundamente a geração do todo a partir de objetos fundamentais, nem sempre é uma tarefa matematicamente realizável. “As supercordas dizem respeito à natureza mais intrínseca da matéria, e nem sempre entender essa natureza é sinônimo para entender a natureza do todo. O projeto de reconstruir a natureza a partir das supercordas é esteticamente muito atrativo, mas, na prática, muitas complicações, e até mesmo obstruções de ordem matemática, aparecem, pois as equações se tornam extremamente complicadas”, lembra.
Ao se construir essa teoria, Helayël destaca que o “espaço/tempo” não é definido a priori, sendo algo a ser determinado com base em princípios fundamentais do mundo quântico (sem comparação com o mundo análogo, como nós conhecemos), os quais as supercordas não devem violar. Assim, para que a teoria seja consistente com os princípios quânticos fundamentais, sendo fisicamente interpretável, seu “espaço/tempo” é de dez dimensões. A partir delas, chegamos às quatro dimensões “espaço/temporais” percebidas na natureza.
A redução de dez para quatro dimensões envolve os chamados mecanismos de redução dimensional, explica o professor. Para isso, recorre-se a conceitos e técnicas matemáticas que passam pela topologia, geometria diferencial e geometria algébrica. “Esse é o processo e o momento no qual se tenta trazer as supercordas para uma realidade ‘espaço/temporal’ próxima da nossa, para uma física próxima à física das partículas elementares e dos aceleradores de partículas, como o Large Hadron Collider (LHC), do Centro Europeu de Pesquisas em Física de Partículas, por exemplo. Quando iniciamos o processo de redução, faz-se a conexão dos mundos das supercordas com o nosso mundo. Na visão das supercordas, nosso mundo seria somente um subespaço contido nesse espaço tempo mais amplo de dez dimensões”, conclui.
AVANÇOS
Agência FAPESP – Todas as experiências em física de altas energias realizadas nas últimas décadas confirmaram o chamado “Modelo Padrão de Partículas”, uma construção teórica que descreve a estrutura e o comportamento da matéria nas escalas atômica e subatômica.
Vários cientistas que contribuíram para o desenvolvimento do modelo foram contemplados com o prêmio Nobel de Física, inclusive o britânico Peter Higgs, propositor do famoso Bóson de Higgs – premiado, com o belga François Englert, em 2013.
Tal sucesso não deixa de constituir, porém, um impasse, pois no Modelo Padrão importantes questões permanecem sem solução.
A mais importante dessas questões, tantas vezes mencionada, é a impossibilidade de unificar em um quadro único as quatro interações fundamentais da natureza (gravitacional, eletromagnética, nuclear fraca e nuclear forte), devido à incompatibilidade entre a teoria geral da relatividade (que descreve a interação gravitacional) e a teoria quântica (que descreve as outras três interações).
Por isso, físicos das novas gerações vêm buscando alternativas ao Modelo Padrão. Várias propostas já foram apresentadas, mas a que se tem mostrado mais duradoura e promissora é a teoria das supercordas, que substitui a noção de partículas pontuais do Modelo Padrão pela noção de diminutas cordas em vibração. As diferentes vibrações ou “modos de excitação” das cordas originariam os vários tipos de partículas.
Essa teoria já passou por várias reformulações desde que foi proposta pela primeira vez, no início dos anos 1970. Um dos pesquisadores que tem contribuído ativamente para o seu desenvolvimento é o norte-americano naturalizado brasileiro Nathan Berkovits, professor titular do Instituto de Física Teórica da Universidade Estadual Paulista (IFT-Unesp).
Berkovits recebeu em 2009 o prêmio anual de física da The World Academy of Sciences (TWAS) por sua pesquisa com supercordas. Desde 2011, dirige o ICTP South American Institute for Fundamental Research (ICTP-SAIFR), criado em parceria pelo Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP), de Trieste (Itália), a Unesp e a FAPESP.
Coordena atualmente o Projeto Temático “ICTP Instituto Sul-Americano para Pesquisa Fundamental: um centro regional para física teórica”, apoiado pela FAPESP, e concluiu, em 2014, outro Temático, intitulado “Pesquisa e ensino em teoria de cordas”.
Em entrevista à Agência FAPESP, Berkovits apresenta o estado da arte no estudo das supercordas e descreve suas principais contribuições nesse campo teórico.
Agência FAPESP – Por que é tão importante construir uma teoria capaz de superar a contradição entre a relatividade geral e a mecânica quântica?
Nathan Berkovits – Embora a relatividade geral seja utilizada na descrição do macrocosmo, em escalas interestelares e intergalácticas, e a mecânica quântica seja utilizada na descrição do microcosmo, em escalas atômicas e subatômicas, a compatibilização de ambas não é irrelevante, principalmente quando pretendemos entender o universo primordial. Segundo a teoria do Big Bang, o universo tinha tamanho subatômico nas frações de segundo que se seguiram ao instante inicial. A escala em que a mecânica quântica afeta a interação gravitacional é tão pequena que nem podemos sonhar em construir aceleradores capazes de detectá-la, mas informações poderão eventualmente ser obtidas a partir de observações cosmológicas sobre o universo jovem.
Agência FAPESP – E a teoria das supercordas seria uma alternativa promissora na superação dessa contradição?
Berkovits – Sim, porque, nela, as diferentes vibrações das cordas descrevem partículas diferentes. Isso possibilita que a teoria das supercordas não apenas unifique a interação gravitacional com as outras interações, como unifique também todas as partículas. A teoria das supercordas está bem longe de poder ser verificada experimentalmente, mas já deu origem a várias ideias que têm sido úteis em outras áreas da física e da matemática. Uma dessas ideias é o conceito de supersimetria.
Agência FAPESP – Poderia falar sobre esse conceito?
Berkovits – O conceito de supersimetria relaciona partículas fermiônicas, que constituem a matéria, com as partículas bosônicas, que transmitem as interações ou as forças entre os constituintes da matéria. Embora os férmions e os bósons sejam bem diferentes, existe a possibilidade de relacionar esses dois tipos de partículas por meio do conceito de supersimetria. Ela prevê que, para cada férmion, deva existir um bóson correspondente, isto é, uma partícula supersimétrica. E vice-versa. Esse conceito surgiu nos anos 1970, na teoria de cordas, e, por isso, elas passaram a ser chamadas de supercordas. Uma propriedade importante das teorias com supersimetria é que nelas as divergências com a mecânica quântica são atenuadas, devido à possibilidade de um cancelamento entre partículas fermiônicas e partículas bosônicas. Por isso, mesmo os físicos que não trabalham com supercordas passaram a se interessar fortemente por supersimetria. Os pesquisadores do LHC [Large Hadron Collider ou Grande Colisor de Hádrons], em Genebra, estão procurando ativamente evidências de supersimetria, que se mostrou um conceito aplicável a várias áreas da física e da matemática.
Agência FAPESP – Uma dificuldade que a teoria das supercordas apresenta é a necessidade de um espaço com muitas dimensões para descrevê-la.
Berkovits – De fato. O formalismo matemático da teoria de supercordas utiliza um espaço de dez dimensões. Surge, então, a pergunta: por que observamos apenas quatro dessas dez dimensões? Há ao menos duas respostas para isso. Uma é dizer que as outras seis dimensões são tão pequenas que não podemos detectá-las. O modelo que afirma isso é chamado de compactificação. Uma outra resposta é dizer que a matéria não pode ocupar todas as dimensões do Universo, mas apenas sua superfície. O Universo seria um objeto decadimensional com uma superfície tetradimensional, e partículas como os elétrons e os fótons estariam confinados a essa superfície. Apenas o gráviton, o transmissor da interação gravitacional, estaria livre para se deslocar pelo Universo inteiro. Tal superfície recebe o nome de brana, por analogia com a membrana, que é a superfície bidimensional de um objeto tridimensional. E há, então, toda uma teoria de branas.
Agência FAPESP – Que evoluções ocorridas na teoria de supercordas nas últimas décadas o senhor destaca?
Berkovits – Uma evolução importante foi o conceito de “dualidade”, que consiste em relacionar duas teorias bem diferentes utilizadas para descrever a mesma coisa. O exemplo mais importante de “dualidade” é a correspondência AdS-CFT, que relaciona uma teoria de gravitação quântica com uma teoria de campo. Essa correspondência foi conjecturada em 1997 pelo físico argentino Juan Maldacena (do Instituto de Estudos Avançados em Princeton, nos Estados Unidos), que, depois, ao mesmo tempo que outros pesquisadores, reuniu várias evidências para comprová-la. Trata-se da correspondência entre uma teoria de gravitação quântica em um espaço anti-de-Sitter (AdS) e uma teoria de campo do tipo Yang-Mills supersimétrica (que é um exemplo de conformal field theory ou CFT). A correspondência AdS-CFT é um dos assuntos mais ativos em física teórica de altas energias dos últimos 15 anos, e gerou aplicações em outras áreas, como a física de íons pesados e a física de supercondutividade.
Agência FAPESP – E houve também sua contribuição, não é mesmo?
Berkovits – Minha pesquisa já tem cerca de 25 anos. Concentrei-me no entendimento da supersimetria na teoria de supercordas e na aplicação desse entendimento no estudo da correspondência AdS-CFT. O formalismo convencional para as supercordas, o RNS (sigla formada pelas letras iniciais dos sobrenomes dos pesquisadores Pierre Ramond, Andre Neveu e John Schwarz), foi desenvolvido nos anos 1970. Mas a supersimetria estava escondida nele. Nos anos 1980, Michael Green e John Schwarz desenvolveram um formalismo alternativo, o GS (sigla formada pelas letras iniciais de seus sobrenomes), mas sua quantização era complicada. O problema ficou em aberto até o ano 2000, quando propus um novo formalismo, com supersimetria manifesta e quantização simples. Este novo aparato foi chamado de “formalismo de spinores puros”, porque envolve não apenas variáveis vetoriais que, descrevem o espaço-tempo, mas também variáveis spinoriais.
Agência FAPESP – O que é um spinor?
Berkovits – É uma ferramenta matemática, que talvez se torne mais compreensível se a compararmos com outra ferramenta matemática, o vetor. Para descrever qualquer ponto do espaço-tempo, usamos um vetor de quatro dimensões, três para o espaço (por exemplo, comprimento, largura e altura) e uma para o tempo. Podemos pensar em uma realidade com número maior de dimensões. E o vetor terá tantos componentes quanto forem as dimensões. O spinor permite descrever outras grandezas além da posição no espaço-tempo. Por exemplo, se considerarmos um elétron, não basta saber apenas em que ponto ele está no espaço-tempo, mas também em qual eixo ele está girando, isto é, qual é o seu spin. E o spinor fornece essa descrição. Ou seja, ele carrega mais informação do que o vetor.
Agência FAPESP – Qual foi a repercussão de seu novo formalismo?
Berkovits – No ano 2000, logo no início do meu primeiro Projeto Temático apoiado pela FAPESP], escrevi um artigo intitulado Super-Poincaré covariant quantization of the superstring, que foi publicado no Journal of High Energy Physics (JHEP). Esse artigo já gerou mais de 400 citações. Vários grupos de pesquisadores do mundo todo estão trabalhando agora com o formalismo dos spinores puros.
Agência FAPESP – Explique a vantagem dos spinores puros.
Berkovits – Uma maneira de estudar as supercordas é calcular amplitudes de espalhamento dos grávitons, que são as partículas que transmitem a interação gravitacional. Quando as energias dos grávitons são baixas, essas amplitudes podem ser calculadas por meio da teoria clássica da relatividade geral. Mas, quando as energias são altas, é necessário fazer correções quânticas no cálculo das amplitudes. Então, surge o problema das incompatibilidades entre a relatividade geral e a mecânica quântica, que procuramos contornar por meio da teoria das supercordas. Ocorre, porém, que, no formalismo convencional RNS, o cálculo das correções quânticas é muito difícil, pelo fato de a supersimetria estar escondida. Já no formalismo dos spinores puros, elas são muito mais fáceis de calcular. E eu mostrei, em 2004, que essas correções quânticas são finitas, como se esperava.
Agência FAPESP – Quais foram as aplicações ou desenvolvimentos posteriores de seu formalismo?
Berkovits – Em 2006, meu então aluno de doutorado Carlos Mafra e eu calculamos, pela primeira vez, as correções quânticas de segunda ordem nas amplitudes de espalhamento de bósons e férmions. Entre 2007 e 2009, Nikita Nekrasov [do Institut des Hautes Études Scientifiques, na França], Michael Green [da Cambridge University, no Reino Unido] e eu provamos vários teoremas relacionados com outras correções. Em 2013, Carlos Mafra e outro ex-aluno, Humberto Gomez, calcularam pela primeira vez correções quânticas de terceira ordem. E, no ano passado, em 2014, Edward Witten [do Instituto de Estudos Avançados em Princeton, nos Estados Unidos] e eu empregamos o formalismo para calcular os efeitos quânticos responsáveis pela quebra de supersimetria.
Agência FAPESP – Como o senhor aplicou o seu formalismo no estudo da correspondência AdS-CFT?
Berkovits – O formalismo convencional RNS é incapaz de descrever o background do espaço anti-de-Sitter (AdS) que aparece na correspondência AdS-CFT de Juan Maldacena. Por essa razão, uma aplicação importante do formalismo de spinores puros é o estudo da supercorda neste background. Em 2005, usei esse formalismo para provar a consistência quântica do background AdS. E, em 2008, Cumrun Vafa (da Harvard University, nos Estados Unidos) e eu empregamos o formalismo para descrever o background quando a curvatura do espaço anti-de-Sitter é grande. Nesse mesmo ano, trabalhei com Maldacena e, juntos, achamos uma nova simetria do background chamada “dualidade T fermiônica”, usada depois para entender a relação entre as supercordas e a teoria de Yang-Mills supersimétrica. No ano seguinte, simplifiquei o formalismo no background AdS. E, em 2013 e 2014, com a colaboração de meus alunos de doutorado Thiago Fleury e Thales Azevedo, mostramos como calcular amplitudes de espalhamento neste background.
Agência FAPESP – Há uma relação entre o formalismo dos spinores puros e outras descrições das supercordas?
Berkovits – Nos anos 1970, Roger Penrose [da Oxford University, no Reino Unido] desenvolveu uma nova descrição do espaço-tempo usando variáveis spinoriais que ele chamou twistores. A relação dos twistores com as supercordas começou a ser entendida depois que Edward Witten introduziu uma nova supercorda com variáveis twistorias em 2003. No ano seguinte, eu simplifiquei essa supercorda, e com Witten, mostramos que a supercorda twistorial simplificada e aquela que ele havia proposto antes eram equivalentes. Em 2010, achei uma relação entre os twistores e spinores puros. E, em 2012 e 2014, mostrei que o formalismo de spinores puros pode ser interpretado em termos de uma supercorda twistorial. Todos esses passos estão registrados nos artigosque publiquei ao longo destes anos de pesquisa.
Agência FAPESP – Seus trabalhos parecem evoluir no sentido de uma simplificação cada vez maior.
Berkovits – As pessoas que trabalham na área acreditam que haja algo ainda mais fundamental do que as supercordas. Isso fica claro, por exemplo, quando se fala em correspondência AdS-CFT. O que está por trás ou para além dessa dualidade? O meu trabalho busca essa descrição mais fundamental. E um dos ingredientes para isso é a supersimetria. A supersimetria rearranja o formalismo das cordas, vamos dizer assim.
NOTAS
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A ordem de grandeza das supostas cordas corresponde ao chamado “comprimento de Planck”, igual a 1,61619926 x 10-35 metros. Para efeito de comparação, o diâmetro do próton é estimado em 0,877 x 10-15 metros. Isso significa que o diâmetro do próton seria 1020 vezes maior do que o comprimento das cordas.
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As partículas fermiônicas, ou férmions, que constituem a matéria, são os elétrons, os quarks e os neutrinos. As partículas bosônicas, ou bósons, que transmitem as interações ou forças entre os constituintes da matéria, são os grávitons (responsáveis pela interação gravitacional), os fótons (responsáveis pela interação eletromagnética), os Ws e os Zs (responsáveis pela interação nuclear fraca), os glúons (responsáveis pela interação nuclear forte) e os bósons de Higgs (que confeririam massa às demais partículas).
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O “espaço de De Sitter”, proposto pelo matemático, físico e astrônomo holandês Willem de Sitter (1872 –1934), é o análogo tetradimensional de uma esfera. Apresenta o máximo de simetria com curvatura constante e positiva. O espaço anti-de-Sitter apresenta curvatura constante negativa. É o análogo tetradimensional de uma superfície hiperbólica. A ideia por trás da correspondência AdS/CFT é a de que é possível descrever uma força da teoria de campos (como a força eletromagnética, a força nuclear fraca ou a força nuclear forte) em um certo número de dimensões (por exemplo, quatro) por meio de uma teoria de corda, na qual a corda exista em um espaço anti-de-Sitter com uma dimensão a mais (no caso, cinco).
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Para descrever os bósons, as variáveis vetoriais são suficientes. Mas, para descrever os férmions, os spinores são necessários. Nos anos 1930, o matemático francês Élie Cartan (1869 –1951) descreveu as propriedades de um tipo especial de spinor chamado “spinor puro”. Um spinor puro é uma versão decadimensional do twistor, usado pelo matemático Roger Penrose e seus colaboradores nos anos 1970 para construir uma nova descrição do universo na qual as trajetórias dos fótons são mais fundamentais do que os pontos do espaço-tempo.
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http://agencia.fapesp.br/avancos-na-teoria-das-supercordas/20600/
Qual é o futuro da Teoria das Supercordas?
Com informações da Agência Fapesp - 24/02/2011
Desde sua origem no fim da década de 1960, a teoria das supercordas passou por inúmeras reviravoltas. E essa movimentada trajetória está longe de chegar ao fim.[Imagem: Cortesia Nature]
Revoluções teóricas
Desde sua origem no fim da década de 1960, a teoria das supercordas passou por inúmeras reviravoltas.
Em vários momentos ganhou novas interpretações, até se tornar a mais bem-sucedida resposta, até hoje, para um dos maiores desafios da física contemporânea: unificar a teoria da relatividade geral e a mecânica quântica.
Mas essa movimentada trajetória histórica está longe de chegar ao fim, segundo o físico norte-americano Edward Witten, do Instituto de Estudos Avançados da Universidade de Princeton.
Witten recebeu, em São Paulo, o título de doutor honoris causa da Universidade Estadual Paulista (Unesp).
Para Witten, que é considerado um dos mais importantes físicos teóricos da atualidade, a teoria das supercordas deverá ganhar novas interpretações no futuro, adquirindo dimensões - e consequências teóricas - que ainda são completamente imprevisíveis.
"A teoria das supercordas alcançou um nível de desenvolvimento que, em cada um de seus estágios anteriores, ninguém jamais poderia conceber. Mas o processo de compreender o que realmente significa a teoria das supercordas ainda tem um longo caminho pela frente. Acredito que não estamos nada próximos de ver o fim desse caminho", disse.
Teoria das supercordas e Teoria-M
Desenvolvida a partir do fim da década de 1960, a teoria das supercordas é um modelo físico no qual os componentes fundamentais da matéria não são os pontos sem dimensão que caracterizam as partículas subatômicas na física tradicional, mas objetos extensos unidimensionais, semelhantes a uma corda.
Dependendo do "tom" da vibração dessas cordas, elas corresponderiam a cada partícula subatômica.
Witten é o criador da Teoria-M, que unifica as cinco diferentes teorias das supercordas existentes anteriormente.
O termo foi cunhado pelo cientista em 1995 e desencadeou a chamada "segunda revolução das supercordas".
A Teoria-M determina que a matéria é formada por membranas e que o universo flui através de 11 dimensões: o tempo, a altura, a largura, o comprimento e mais sete dimensões "recurvadas", com outras propriedades - veja Descoberta solução matemática para outras dimensões.
Interações subatômicas
De acordo com Witten, o processo de mudanças de interpretação que deu novos significados à teoria das supercordas, aumentando sua importância ao longo do tempo, está longe de terminar. "Ainda não podemos nem conceber o fim dessa jornada", disse.
Os físicos consideram que a origem da teoria das supercordas remonta à formulação da Amplitude de Veneziano. A descoberta, realizada em 1968 pelo italiano Gabriele Veneziano, sugeria que a amplitude de espalhamento explicava propriedades físicas, como a simetria e a dualidade, da interação forte entre as partículas subatômicas denominadas mésons.
"Só me envolvi com a teoria das supercordas no fim da década de 1970, por isso não sei o que teria pensado sobre essa descoberta na época. Mas, olhando retroativamente, acho surpreendente que essa pequena fórmula tenha-se tornado o ponto inicial de algo tão significativo", afirmou Witten.
Segundo ele, a proliferação de ressonâncias das partículas subatômicas, ou hádrons, levavam os físicos ao desespero quando tentavam descrever as interações fortes entre elas. "A descoberta de Veneziano sugeria que, se havia tantas ressonâncias de partículas, o espalhamento ressonante poderia ter um papel importante na interação dos hádrons", explicou.
A partir daí, segundo ele, desenvolveu-se a ideia de que um méson é uma pequena corda com cargas em suas extremidades. "As ressonâncias dos mésons, que correspondem aos pólos da amplitude de Veneziano, seriam estados vibratórios dessas cordas", disse Witten.
Diferentes níveis de visualização da matéria: 1) cristal; 2) estrutura molecular (átomos); 3) Átomo (prótons, nêutrons e elétrons); 4) Elétron; 5) Quarks; 6) Cordas. [Imagem: MissMJ/Wikimedia]
Gravitação quântica
No entanto, a amplitude de Veneziano gerou descrições das interações fortes entre partículas que são corretas apenas do ponto de vista quantitativo. Outras descrições melhores surgiram e, por alguns anos, a teoria das supercordas ficou no ostracismo.
"Desenvolvimentos posteriores mostraram que o aparente fracasso da teoria das supercordas para explicar as interações fortes não era definitivo. As outras descrições melhores aparentemente eram equivalentes a uma parte ainda não descoberta da teoria das supercordas", afirmou Witten.
O principal motivo para a sobrevivência da teoria, no entanto, é que, se ela era insuficiente para explicar as interações fortes, havia um outro problema da física para o qual ela estava correta: a gravitação quântica.
"A mecânica quântica e a gravidade existem no mundo real e, por isso, precisamos de uma teoria da gravitação quântica. Mas ela não pode ser compreendida com os algoritmos convencionais. A teoria das supercordas tinha as características para isso", disse.
Depois da formulação da Amplitude de Veneziano, segundo Witten, descobriu-se que a teoria era incompatível com a massa que se atribuía às partículas.
Alguns físicos, então, foram ousados o suficiente para propor que a teoria das supercordas havia sido mal interpretada: as cordas eram muito menores do que se havia imaginado e descreviam a gravitação quântica.
"Com isso, a teoria foi conduzida novamente para uma nova direção que não poderia ter sido prevista antes", disse.
Supersimetria e supergravidade e membranas
Esse processo de transformação continuou ao longo dos anos e uma das consequências desse desenvolvimento foi perturbadora: a teoria estabelecia que o Universo deveria ter dez dimensões espaciais, além do tempo.
"Isso deve ter parecido uma piada, na época. Mas, quando a teoria foi reinterpretada como uma candidata para unificar todas as teorias de partículas e forças elementares, as dimensões extras deram abertura para que se derivasse toda a complexidade do mundo real a partir de um ponto inicial", disse Witten.
Os físicos descobriram então a supersimetria, descoberta que o norte-americano considera como a principal contribuição que a teoria das supercordas trouxe para prever tudo de novo que pode ser descoberto na física de partículas.
"A supersimetria levou ao tema extraordinariamente rico da supergravidade - que é a consequência da supersimetria ao descrever a gravidade. A supersimetria e a supergravidade são na verdade o topo de um iceberg muito maior: a teoria das supercordas se baseia em um novo tipo de geometria que nós ainda não entendemos", afirmou.
De alguma maneira, segundo Witten, existe um novo tipo de geometria que não permite que se fale de "pontos" ou "linhas" no espaço-tempo, mas na qual se pode falar de superfícies mínimas quânticas.
"Depois disso, alguns físicos começaram a se perguntar: por que parar nas cordas? Por que não membranas? Havia uma boa resposta para isso: as cordas funcionam melhor que as membranas por causa das propriedades únicas dos números complexos. Mas, agora, sabemos que as membranas e os objetos de maior dimensão não são parte de uma teoria alternativa. São, de fato, parte da teoria das supercordas", afirmou.
Dualidade eletromagnética
Enquanto isso, outra ideia era desenvolvida para desafiar os paradigmas então estabelecidos pela teoria das supercordas: a dualidade eletromagnética. Em meados da década de 1990, várias pistas sugeriam que a simetria entre os campos elétricos e magnéticos tinha importância estrutural para a teoria das supercordas.
"A implicação mais direta era o fato de que a dualidade eletromagnética é importante na supergravidade. As várias vertentes - como as membranas e a dualidade eletromagnética - foram integradas na metade da década de 1990, gerando um novo paradigma", ressaltou.
A partir daí, a teoria só pode ser compreendida em termos de mecânica quântica. "Mas ela não podia ter apenas uma 'roupagem quântica'. Para entendê-la, seria preciso, de certa forma, que ela desse uma nova interpretação do que significa a mecânica quântica", disse.
Sendo assim, de acordo com Witten, chegou-se a um novo paradigma: só havia uma teoria das supercordas e ela se tornara a única candidata à superunificação das leis da natureza.
"Na década de 1990, a visão predominante sobre o que significa a teoria das supercordas e sobre como se pode tentar entendê-la foi, mais uma vez, imensamente amplificada. Podemos perguntar: o que vem agora? Qual a próxima grande mudança de perspectiva? Difícil saber. Talvez já tenha havido, na última década, mais uma mudança de interpretação na teoria, mas é difícil identificá-la sem o devido distanciamento", disse.