Em busca de uma teoria final
Pesquisa pretende unificar as forças básicas da natureza
Um dos maiores desafios da Física moderna é desenvolver uma teoria que descreva de forma unificada todos os fenômenos do Universo. O grande obstáculo é a incompatibilidade entre duas das principais teorias físicas deste século, a relatividade geral e a mecânica quântica. Esse desafio é o tema da pesquisa de Victor de Oliveira Rivelles, professor do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (Ifusp) e dedicado ao problema desde os anos 80.
Cada uma dessas teorias desempenha perfeitamente seu papel quando é aplicada no contexto em que foi criada. Mas cada uma fracassa ao ser aplicada aos fenômenos descritos pela outra. Por que, então, modificá-las em vez de deixá-las como estão? A idéia de unificação é a mola propulsora dos principais avanços da Física desde seus primórdios. Até o século 17, o movimento dos corpos terrestres e celestes era considerado distintamente. Os corpos terrestres tenderiam a parar depois de se movimentar por algum tempo, devido à sua natureza terrena. Já os corpos celestes, como o sol, a lua e os planetas, se moveriam eternamente – o que seria uma demonstração de seu caráter divino.
A mecânica clássica, formulada pelo físico inglês Isaac Newton (1642-1727), mostrou que os corpos terrestres e celestes obedecem às mesmas leis de movimento, ao dar uma descrição unificada para ambos. Suas idéias causaram uma mudança filosófica e religiosa profunda, pois mostraram, matematicamente, que o movimento dos corpos nos céus era puramente material. Ao sintetizar teorias que pareciam antagônicas, os cientistas conseguem descrever um número maior de fenômenos com menos hipóteses e também prever fenômenos futuros. Newton, por exemplo, baseado em sua teoria, previu a data exata do retorno do cometa Halley.
O físico alemão Albert Einstein (1879-1955), segundo seu biógrafo Abraham Pais (em Einstein Viveu Aqui , Nova Fronteira, 1997, Rio de Janeiro), disse que a teoria física tem dois anseios: “Englobar o máximo possível de fenômenos e suas conexões” e “alcançar isso com base no menor número possível de conceitos independentes e relações arbitrariamente pressupostas.” O objetivo fundamental da unificação de teorias físicas é, portanto, obter modelos mais eficazes paraexplicar e controlar a natureza. Foi o que Einstein obteve em 1915 ao formular arelatividade geral: uma teoria da gravitação mais abrangente que a de Newton.
No Departamento de Física Matemática do Instituto de Física da USP, Rivelles e mais oito físicos (pós-doutores e pós-graduandos) trabalham há três anos e meio no projeto Gravitação Quântica , com financiamento de R$ 3,4 mil da FAPESP. Além da USP, há estudos nessa área nas universidades estaduais Paulista (Unesp) e do Rio de Janeiro (UERJ), nas federais do Rio de Janeiro (UFRJ) e do Rio Grande do Sul (UFRGS) e no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF). Eles não têm dúvidas: o resultado a ser obtido pode revolucionar a Física. Mas não é fácil chegar lá. Afinal, os dois extremos dessa conciliação são justamente os principais pilares da Física moderna.
Micro versus macro
A mecânica quântica pode parecer para o leigo um amontoado de conceitos que ferem o bom senso: aquilo que ora parece ser uma partícula, comporta-se como uma onda e vice-versa. Além desse aparente contra senso, há uma perda definitiva do que restava da Física clássica. Após séculos de tranqüilidade com as equações deterministas do movimento, os cientistas tiveram de encarar o terrível princípio da incerteza, formulado pelo físico alemão Werner Heisenberg (1901-1976), para o qual é impossível determinar simultaneamente a posição e a velocidade de uma partícula. “Quando tentamos aplicar os conceitos da mecânica quântica à relatividade geral, somos conduzidos a resultados absurdos, que contradizem os próprios fundamentos dessas teorias”, diz Rivelles.
Deus joga dados?
Apesar de ter contribuído para o nascimento da mecânica quântica, Einstein jamais aceitou sua interpretação probabilística. Na Física clássica, toda quantidade física tem um valor determinado. No mundo quântico, passou a vigorar a probabilidade. “Deus não joga dados com o Universo”, disse Einstein. O físico britânico Stephen Hawking (1942-), que ocupa o mesmo posto de Newton na Universidade de Cambridge, rebate Einstein: “Deus joga dados, sim!” Instaurou-se assim o conflito entre mecânica quântica e relatividade geral.
Muitos físicos seguiram os passos de Einstein e propuseram mudanças na mecânica quântica. O próprio Hawking deu os primeiros passos nessa direção. O holandês Gerard’t Hooft (1946-) – prêmio Nobel de Física de 1999 por seu trabalho sobre a unificação das forças fraca e eletromagnética – e o norte-americano Leonard Susskind (1940-) – cujo aniversário foi comemorado no final de maio na Universidade de Stanford, nos Estados Unidos, onde leciona, com um seminário sobre gravitação quântica – propõem a manutenção da mecânica quântica e modificações na relatividade geral. As primeiras evidências de que a relatividade geral deveria mesmo ser modificada vieram com a proposta das supercordas, em meados de 80.
A motivação para as supercordas baseia-se na constatação de que o conceito de uma partícula idealizada como um ponto material é inadequado para formular a quantização da relatividade geral. “As teorias de cordas são radicalmente diferentes das teorias usuais. Os objetos fundamentais não são mais partículas pontuais, mas sim objetos estendidos, unidimensionais, que são as chamadas cordas”, diz Rivelles. “Por terem tamanho muito pequeno, elas parecem comportar-se como partículas.” A teoria de cordas é objeto de estudo, em São Paulo, dos pesquisadores Nathan Berkovits, do Instituto de Física Teórica da Unesp, e Élcio Abdalla, do Instituto de Físicada USP.
As teorias de cordas, no entanto, precisam ser formuladas de modo a descrever todos os tipos de partículas elementares conhecidos. Uma das teorias de cordas considera a existência de uma partícula com todas as propriedades do gráviton e que, embora ainda não comprovada experimentalmente, seria capaz de conduzir a força da gravidade. É um resultado que Rivelles considera surpreendente. Outra partícula prevista pela teoria de cordas tem a propriedade de mover-se com velocidade superior à da luz. A existência dessa partícula, o táquion, é proibida pela relatividade especial de Einstein.
É aí que entra o conceito de supersimetria, que resolve o problema ao eliminar essa partícula indesejada. A supersimetria – tema que Rivelles abordou em sua tese de doutoramento de 1982 no King’s College de Londres, Reino Unido – é um artifício teórico que unifica todas as partículas e forças da natureza simplesmente por considerar em pé de igualdade dois tipos de partícula bastante distintos, os bósons e os férmions.
Com a aplicação da supersimetria, as teorias de cordas se transformam em teorias de supercordas, unificando de forma adequada todos os tipos de partículas fundamentais. Uma das surpresas da teoria das supercordas, segundo Rivelles, é que ela pressupõe um espaço de dez dimensões, sendo nove de espaço e uma de tempo. A explicação para o fato de nosso espaço-tempo só revelar quatro dimensões é que no início da formação do Universo, logo após o Big Bang, seis dessas dimensões se tornaram extremamente pequenas.
Nessa área, a comprovação prática é considerada praticamente impossível, por lidar com distâncias ínfimas, bilhões de bilhões de vezes menores que as distâncias investigadas nos mais modernos aceleradores de partículas em uso (nos quais se chega à distância de um bilionésimo de um bilionésimo de centímetro). É uma situação análoga à do Big Bang, a explosão que teria originado o Universo e igualmente não é passível de comprovação.
A teoria de supercordas, segundo Rivelles, poderá prever relações desconhecidas entre as partículas ou mesmo a existência de novas partículas e, portanto, de forças ainda não detectadas. À medida que a teoria de supercordas se for consolidando, poderá até resolver questões que intrigam físicos e filósofos, tais como: por que o Universo existe em quatro dimensões (as três dimensões espaciais de comprimento, largura e altura, mais a dimensão temporal) e não em mais ou em menos dimensões? Por que a matéria só aparece na forma de quarks e léptons?
Rivelles não desanima ao lembrar que só se conhecem alguns pedaços da teoria de supercordas. As dúvidas se acumulam, mas essa teoria, que deve descrever todas as forças do Universo, ainda está na infância e sua formulação completa levará muito tempo, lembra o pesquisador. O próprio Einstein levou dez anos para formular a teoria da relatividade geral, que descreve apenas a gravitação. O físico norte-americano Edward Witten comentou há anos – e seus colegas do mundo todo concordam – que a teoria de supercordas é uma teoria do século 21 que, por acidente, foi descoberta no final do século 20.
Duas teorias incompatíveis
A mecânica quântica nasceu em 1900, com a teoria de Max Planck (1858-1947), segundo a qual a energia não se propaga num fluxo contínuo, mas por meio de pequenos pacotes de energia, os quanta. Isso permitiu dois avanços: a proposição de Albert Einstein, em 1905, de que a luz também se propagaria por meio de pacotes de energia e o modelo atômico do dinamarquês Niels Bohr (1892-1987).
Ainda em 1905, Einstein formulou a teoria da relatividade restrita, baseada na proposição de que nenhum corpo pode alcançar velocidade superior à da luz no vácuo (300 mil km/s). Depois, mostrou a equação E=mc2 (energia é igual à massa multiplicada pelo quadrado da velocidade da luz). E, em 1915, lançou a teoria da relatividade geral, mostrando que a gravidade de um corpo deforma o espaço e o tempo a seu redor. Essa tese foi comprovada alguns anos depois num eclipse solar em Sobral, no Ceará: comparando-se posições de estrelas ao redor do sol antes e durante o eclipse, constatou-se que, vistas daqui, elas pareciam estar mais próximas devido à passagem dos raios de luz delas perto do campo gravitacional do sol.
A relatividade geral inspirou outras teorias, como a da expansão do Universo, pelo norte-americano Edwin Hubble (1889-1953), em 1929, e a da formação dos buracos negros pelo indiano-norte-americano Subrahmanyan Chandrasekhar (1910- 1995), em 1931. Em 1997, Wei Cui, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, e colaboradores da Nasa, a agência espacial dos Estados Unidos, anunciaram a descoberta de buracos negros arrastando o espaço-tempo ao seu redor, o que comprovava previsões feitas a partir da relatividade geral 80 anos antes, quando ainda não havia incompatibilidade com a teoria quântica.
Em 1924, o francês Louis-Victor de Broglie (1892-1987) propôs a dualidade onda-partícula, o que lhe valeu o Prêmio Nobel de Física cinco anos depois: mostrou que o elétron pode apresentar comportamento de onda e também de partícula.Três anos depois foi a vez de Werner Heisenberg, com o princípio da incerteza. Contrariando toda a tradição da mecânica clássica, em que a posição e a velocidade de um corpo sempre poderiam ser determinadas precisamente, Heisenberg mostrou que no domínio quântico é impossível determinar ambas com precisão simultaneamente. Einstein jamais aceitou essa formulação.
Os vários conceitos para explicar a natureza
1915 – A relatividade geral
Albert Einstein demonstra que a gravidade dos corpos deforma o espaço e o tempo ao seu redor e que a teoria da gravitação de Isaac Newton não explica completamente fenômenos envolvendo campos gravitacionais muito fortes.
1924 – A dualidade
O físico francês Louis-Victor de Broglie (1892-1987) mostra que o elétron pode apresentar características tanto de um corpúsculo quanto de uma onda. Foi um avanço essencial para a formulação da mecânica quântica.
1927 – A incerteza
Werner Heisenberg propõe seu princípio da incerteza, mostrando ser impossível medir com precisão, simultaneamente, a posição e a velocidade de uma partícula.
1928 – A mecânica quântica
Um grupo de físicos – entre eles o austríaco Erwin Schrodinger (1887-1961), ao lado, e o alemão Max Born (1882-1970, Nobel de Física de 1954) – finaliza os métodos matemáticos de interpretação da mecânica quântica, enunciada em
1900 por Max Planck.
1970 – O nascimento da teoria de cordas
Os físicos chegam ao consenso de que a relatividade geral não é compatível com a mecânica quântica. O físico japonês Yoichiro Nambu, hoje no Enrico Fermi Institute, da Universidade de Chicago, propõe a teoriade cordas dentro do contexto das partículas elementares. Ainda não se suspeitava que as cordas descrevessem a gravitação.
1973 – Supersimetria
O alemão Julius Wess, da Universidade de Munique (na foto), e o italiano Bruno Zumino, da Universidade da Califórnia, aplicam o conceito de supersimetria à teoria das partículas elementares. Embora a supersimetria tenha sido introduzida na teoria de cordas em 1971, era pouco conhecida pelos físicos.
1974 – Cordas e gravitação
O inglês John Schwarz (na foto), atualmente no California Institute of Technology (Caltech), e o norte-americano Joel Scherk (falecido no início dos anos 80) descobrem que a teoria de cordas inclui a relatividade geral. As teorias de cordas, ainda nos seus primórdios, mostram-se inconsistentes e são deixadas de lado. Poucos físicos continuam a estudá-las.
1984 – A primeira revolução: supercordas
As inconsistências da teoria de supercordas são superadas pelos ingleses Michael Green, da Universidade de Cambridge, e J. Schwarz. São encontradas cinco teorias de supercordas. Essa é a chamada primeira revolução das supercordas.
1995 – A segunda revolução: Teoria M
O físico norte-americano Edward Witten, do Caltech, propõe que as teorias de supercordas formam uma pequena parte de uma teoria mais geral, a teoria M, que inclui cordas, membranas e teorias de gravitação supersimétricas. As membranas são uma das extensões mais simples do conceito de cordas, o equivalente à superfície de uma bolha de sabão.
https://revistapesquisa.fapesp.br/2000/07/01/em-busca-de-uma-teoria-final-2/
UNIFICAÇÃO
O que é então uma Teoria de Tudo? Em primeiro lugar, esse "tudo" não abarca Tudo - "resume-se" à Física de Partículas, tendo embora uma importância imensa em outras áreas da Física, como a Cosmologia. E também já vimos que a Ciência em geral, em última análise, vai encontrar explicação no domínio da Física de Partículas - desde a organização dos níveis de energia dos electrões nos átomos, que depende do Princípio de Exclusão, que é uma consequência dessas partículas serem fermiões; até às estatísticas das partículas, Bose ou Fermi, com tantas aplicações macroscópicas na Matéria Condensada; à base da Cosmologia, onde a Física de Partículas é usada, em última análise, para explicar a estrutura de larga escala do Universo nos dias de hoje. Mas o "tudo" das actuais Teorias de Tudo refere-se a tentarmos explicar, com uma única teoria, a existência das partículas elementares que já conhecemos e as respectivas interacções.
A primeira teoria de tudo partiu, ela também, de um princípio de simetria. Os seus criadores, Giorgi e Weinberg, pensaram que, se as simetrias de gauge funcionavam tão bem para as interacções já conhecidas, porque não o deveriam fazer para uma hipotética teoria unificada? E então foram à procura de um grupo de simetria maior, que pudesse conter os três grupos já conhecidos. Ora, aqui observamos uma coisa curiosíssima: os grupos do tipo SU(N) têm um número de geradores (os "eixos de rotação" da secção anterior) dado por N2 - 1. Repare-se que para SU(2) isto dá-nos três geradores, aquilo que tínhamos discutido; e para SU(3), os oito referidos anteriormente. Quer isto dizer que para o grupo SU(5), teríamos 52 - 1 = 24 geradores, ou seja, 24 "eixos de rotação" diferentes para a teoria.
E depois? Bom, pensem nas três interacções já conhecidas: o Electromagnetismo corresponde a umarotação, as interacções fracas a três e as interacções fortes, a oito. Então, de quantas formas diferentes podemos "rodar"? Por cada "rotação electromagnética" podemos fazer três "rotações" fracas e oito "rotações" fortes. Ou seja, um total de 1 × 3 × 8 = 24 "rotações" diferentes - exactamente aquilo que esperaríamos se a simetria total do sistema fosse SU(5)!
De facto a primeira teoria de Unificação baseou-se no grupo SU(5). Era uma teoria muito bonita e notável, mas infelizmente não funcionou. Entre outras coisas, a teoria previa que os protões fossem partículas instáveis, algo que as experiências não comprovaram. Mas foi o ponto de partida para muitas outras tentativas, baseadas em grupos cada vez mais exóticos: SO(10), E6 × E6, ...
Mas afinal de contas o que é que queremos que uma Teoria de Tudo faça?
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Que reduza o número de parâmetros desconhecidos dos nossos modelos (actualmente cerca de 20).
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Que explique porque é que as partículas elementares têm massas tão diferentes entre si.
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Que nos faça perceber porque é que o Universo é feito de matéria e não de anti-matéria.
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Que consiga juntar a gravitação às outras três interacções para as quais temos teorias quânticas.
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E qual ser á o melhor caminho a seguir para obtermos a tão esperada teoria de Tudo? Actualmente as melhores possibilidades parecem ser:
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Super-simetria - Introduz um tipo de simetria que prevê a existência do dobro das partículas que conhecemos actualmente. Esta teoria traz algumas vantagens, como uma porta de entrada para a Unificação com a Gravitação. Até 2010, no novo acelerador LHC poderemos confirmar se esta teoria realmente est á certa ou não.
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Super-cordas - Finalmente uma teoria que nos diz o que é uma partícula, algo sobre o qual não temos nenhuma ideia até hoje...! Parece muito promissora como forma de juntar a Gravidade às teorias quânticas. Estas são as versões modernas da teoria de Kaluza-Klein (1920), que tentavam juntar o Electromagnetismo com a Gravitação, e que Einstein recusou sempre por requerer que vivamos num Universo com mais do que 3 dimensões!
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Teoria-M - Esta é a mais recente proposta da comunidade científica e os desenvolvimentos neste campo multiplicam-se com o passar dos dias. é uma teoria que envolve uma matemática extremamente complicada e que prevê que vivamos num Universo com 11 dimensões! 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. Mas as suas consequências para a Cosmologia, por exemplo, são verdadeiramente notáveis.
Concluindo... Podemos estar prestes a obter uma teoria única que explique tudo da Física de Partículas, ou prestes a admitir que ainda temos muito trabalho pela frente até podermos conceber uma Teoria de Tudo. Os próximos anos trarão esclarecimentos teóricos e dados experimentais fulcrais para estas discussões, e quem trabalha nesta área sente que a comunidade científica mundial está à beira de uma nova revolução. Uma nova área para o conhecimento humano está mesmo ao virar da esquina – A teoria de Tudo, talvez, está prestes a deixar-se conhecer.
HÁ UMA TEORIA DO TUDO?
Dr. Michio Kaku
Quando eu era uma criança de 8 anos, ouvi uma história que permanece comigo até hoje e, permanecerá para o resto de minha vida. Eu me lembro de meus professores escolares nos falando sobre um grande cientista que há pouco tinha morrido. Eles falavam sobre ele com grande reverência, chamando-o de um dos maiores cientistas de toda a história. Disseram que bem poucas pessoas puderam entender as suas idéias, mas que as suas descobertas mudaram o mundo inteiro e todas as coisas ao nosso redor.
Todavia, o que a mais me intrigou sobre este homem era que ele morreu antes que pudesse completar a sua maior descoberta. Eles disseram que ele gastou anos nesta teoria, mas morreu com seus "papers" ainda inacabados sobre a sua escrivaninha. Eu era fascinado pela história. Para uma criança, este era um grande mistério. Qual era o seu trabalho inacabado? Que problema difícil e importante poderia ser possivelmente aquele, que um tão grande cientista dedicaria anos da sua vida na sua perseguição? Curioso, eu decidi aprender tudo que eu pude sobre Albert Einstein e a sua teoria inacabada. Alguns dos momentos mais felizes de minha infância foram gastos lendo quietamente todos os livros que eu pude achar sobre este grande homem e as suas teorias. Quando eu esgotei os livros em nossa biblioteca local, eu comecei a vasculhar as bibliotecas e livrarias pela cidade e estado, procurando avidamente por mais pistas. Logo aprendi que esta história era mais excitante que qualquer mistério de assassinato, e mais importante que qualquer coisa que eu sempre pude imaginar. Eu decidi que tentaria obter o t0, a raiz deste mistério, até mesmo se eu tivesse que me tornar um físico teórico para fazer isto.
Gradualmente, eu comecei a apreciar a magnitude da sua indagação inacabada. Aprendi que Einstein construiu três grandes teorias. As duas primeiras, a teoria da relatividade especial e a geral, conduziu ao desenvolvimento da bomba atômica e a outra teoria aos buracos negros e o Big Bang. Estas duas teorias por si só deram-lhe a reputação de o maior cientista desde Isaac Newton. Porém, Einstein não estava satisfeito. A terceira teoria que ele teria chamado de A Teoria de Campo Unificada, seria o coroamento da sua realização. Era prá ser a Teoria do Universo, o Santo Gral da física, a teoria que finalmente unificava todas as leis físicas em uma única estrutura simples. Era prá ser a última meta de todas os físicos, a teoria para terminar com todas as outras teorias.
Tristemente, ela consumiu Einstein durante os últimos 30 anos da sua vida; ele gastou muitos anos, isolado, em uma perseguição frustrante da maior teoria de todos os tempos. Mas ele não estava só; também aprendi que algumas das maiores mentes do século XX, tal como Werner Heisenberg e Wolfgang Pauli, também lutaram com este problema, e no final das contas se renderam.
Dado a procura infrutífera que deixou perplexos os vencedores do Prêmio Nobel do mundo na primeira metade do século, a maioria dos físicos concordaram que a Teoria do Tudo (= Theory of Everything) deve ser uma renúncia radical de tudo o que antes foi experimentado. Por exemplo, Niels Bohr, fundador da teoria atômica moderna, certa vez ouviu a explicação de Pauli sobre a sua versão da teoria de campo unificada. Bohr finalmente se levantou e disse: " Nós estamos todos de acordo que a sua teoria é absolutamente louca. Mas o que nos divide é se a sua teoria é louca o bastante ".
Hoje, porém, depois de décadas de falsos começos e frustrantes becos sem saída, muitos dos principais físicos do mundo pensam que acharam a teoria " louca o bastante " para ser a Teoria de Campo Unificada. Um grande número de físicos nos principais laboratórios de pesquisa do mundo, acreditam agora que nós achamos afinal a Teoria doTudo.
A teoria que gerou tanta excitação é a chamada teoria das supercordas. Quase toda publicação de ciência no mundo tem caracterizado as histórias principais desta teoria, entrevistando alguns de seus pioneiros, como John Schwarz, Michael Green, e Yoichiro Nambu. (Até o periódico Discover caracterizou isto duas vezes em sua capa.) Meu livro, Além de Einstein: a Procura Cósmica para a Teoria do Universo, foi a primeira tentativa para explicar esta teoria fabulosa à audiência secular.
Naturalmente, qualquer teoria que reivindica ter resolvido os segredos mais íntimos do universo será o centro de intensa controvérsia. Até mesmo vencedores de Prêmio Nobel se envolveram nas calorosas discussões sobre a validade da teoria da supercorda. Na realidade, sobre esta teoria, nós estamos testemunhando o debate mais aquecido de física teórica das últimas décadas.
Para entender o poder da teoria da supercorda e por que ela é anunciada como a teoria do universo (e entender a controvérsia deliciosa que ela tem agitado), é necessário entender que há quatro forças que controlam todas as coisas no universo conhecido, e que a teoria da supercorda nos dá a primeira (e única) descrição que pode unir todas estas quatro forças em uma única estrutura.
As Quatro Forças Fundamentais
Há mais de 2.000 anos atrás, os gregos antigos pensaram que toda a matéria no universo pudesse ser reduzida a quatro elementos: ar, água, terra, e fogo. Hoje, depois de séculos de pesquisa, sabemos nós que estas substâncias são de fato combinações; elas são, por sua vez, feitas de átomos menores e partículas subatômicas, mantidas juntas por somente quatro forças fundamentais.
Estas quatro forças são:
A Gravidade é a força que mantém os nossos pés ancorados junto à terra girante e mantém ligados o sistema solar e as galáxias. Se a força de gravidade pudesse ser desligada de alguma maneira, nós seríamos arremessados imediatamente ao espaço exterior a 1.000 milhas por hora. Além disso, sem a gravidade mantendo o Sol unido, ele explodiria em uma catastrófica erupção de energia. Sem gravidade, a terra e os planetas girariam para fora nas profundezas do espaço gelado, e as galáxias voariam separado-se em centenas de bilhões de estrelas.
O Eletromagnetismo é a força que ilumina nossas cidades e energeiza nossos aparelhos eletrodomésticos. A revolução eletrônica que nos deu a lâmpada incandescente, a televisão, o telefone, os computadores, o rádio, o radar, as microondas, lâmpadas fluorescentes e as lavadoras de louça, é um subproduto da força electromagnética. Sem esta força, nossa civilização seria atirada várias centenas de anos para trás, a um mundo primitivo iluminado à luz de velas e fogueiras de acampamento.
A Força Nuclear Forte é a força que dá poderes ao sol. Sem a força nuclear, as estrelas tremulamente se apagariam e os céus ficariam escuros. Sem o sol, toda a vida na terra pereceria com os oceanos tornando-se gelo sólido. A força nuclear não somente torna possível a vida na terra, como também é a força devastadora liberada por uma bomba de hidrogênio, que pode ser comparada a um pedaço do sol derrubado sobre a terra.
A Força Fraca é a força responsável pelo decaimento radioativo. A força fraca serve de equipamento em hospitais modernos na forma de traçadores radioativos usados em medicina nuclear. Por exemplo, os chapas coloridas e dramáticas do cérebro vivo, como ele pensa e experimenta emoções, são possíveis pelo decaimento do açúcar radioativo no cérebro.
Não é nenhum exagero dizer que o domínio de cada destas quatro forças fundamentais mudou todo aspecto de civilização humana. Por exemplo, quando Newton tentou resolver a sua teoria de gravitação, foi forçado a desenvolver uma nova matemática, e formular as suas célebres leis de movimento. Estas leis da mecânica, por sua vez, ajudaram prenunciar a Revolução Industrial que ergueu a humanidade de milênios incontáveis de trabalho de opressivo e miséria.
Além disso, o domínio da força eletromagnética por James Maxwell nos anos de 1860s revolucionou nosso modo de vida. Sempre que há um blecaute, somos forçados a viver nossas vidas de maneira muito igual aos nossos antepassados dos últimos séculos. Hoje, mais da metade da riqueza industrial do mundo está conectada, de um modo ou de outro, à força eletromagnética. A civilização moderna sem a força eletromagnética é inconcebível.
Semelhantemente, quando a força nuclear foi liberada com a bomba atômica, a história humana, pela primeira vez, enfrentou um jogo novo e amedrontador de escolhas, inclusive a aniquilação total de toda a vida na terra. Com a força nuclear, nós finalmente poderíamos entender a máquina enorme que existe dentro do sol e das estrelas, mas também poderíamos vislumbrar, pela primeira vez, o fim de humanidade.
Assim, sempre que os cientistas desvendaram os segredos de uma das quatro forças fundamentais, isto irrevogavelmente alterou o curso da civilização moderna. Num certo sentido, algumas das maiores inovações na história das ciências podem ser localizadas através da compreensão gradual destas quatro forças fundamentais. Alguns disseram que o progresso dos últimos 2.000 anos de ciência pode ser resumido pelo domínio destas quatro forças fundamentais.
Dado a importância destas quatro forças fundamentais, a próxima pergunta é: elas podem ser unidas em uma super força? São elas as manifestações de uma realidade mais profunda?
Duas Grandes Teorias
No momento há duas estruturas físicas que explicam parcialmente as características misteriosas destas quatro forças fundamentais. Notavelmente, estes dois formalismos, a teoria quântica e a relatividade geral, permitem-nos explicar a soma total de todos os conhecimento físicos ao nível fundamental. Sem exceção.
As leis da física e da química, que podem encher bibliotecas inteiras com jornais e livros técnicos, podem em princípio serem derivadas destas duas teorias fundamentais, tornando-se as teorias físicas mais bem sucedidas de todos os tempos, resistindo ao teste de milhares de experiências e desafios.
Ironicamente, estas duas estruturas fundamentais são diametralmente opostas uma à outra. A teoria quântica, por exemplo, é a teoria do microcosmo, com sucesso sem paralelo ao descrever o mundo subatômico. A teoria de relatividade, por contraste, é uma teoria do mundo macrocósmico, o mundo de galáxias, super agrupamentos, buracos negros, e a Criação por si mesma.
A teoria quântica explica três das quatro forças (as forças fraca, forte, e electromagnética), postulando a troca de pacotes minúsculos de energia, chamados "quanta". Quando uma lanterna é acesa, por exemplo, emite trilhões e trilhões de fótons, ou quanta de luz. Tudo do laser às ondas de radar pode ser descrito postulando que eles são causados pelo movimento destes fótons minúsculos de energia. Igualmente, a força fraca é governada pela troca de partículas subatômicas chamadas W-bosons. A força nuclear forte, por outro lado, mantém unidos os prótons pela troca de "gluons".
Porém, a teoria quântica encontra-se em estreito contraste à relatividade geral de Einstein, que postula um quadro físico completamente diferente, para explicar a força de gravidade.
Imagine-se, por um momento, dando um chute forte sobre uma grande colcha de cama. O chute dado vai, é claro, penetrar profundamente na colcha de cama. Agora imagine atirando um pequeno mármore na cama. Considerando que a cama é elática, o mármore executará um caminho curvado. Porém, para uma pessoa que vê o mármore de uma grande distância, parecerá que o chute dado está exercendo uma força " invisível " no mármore, forçando-o a se mover por um caminho curvado. Em outras palavras, podemos substituir o conceito desajeitado de uma " força " por outro mais elegante da curvatura do próprio espaço. Temos agora uma definição completamente nova de uma " força ". Nada mais é do que o subproduto da deformação do espaço.
Da mesma forma que um mármore movimenta em uma superfície de cama curvada, a terra se move ao redor do sol em um caminho curvado porque o espaço-tempo por si só é curvado. Neste novo quadro, a gravidade não é uma "força" mas um subproduto da deformação do espaço-tempo. Num certo sentido, a gravidade não existe; o que move os planetas e as estrelas é a distorção do espaço-tempo.
Porém, o problema que obstinadamente resistiu a solução durante 50 anos é que estas duas estruturas, de qualquer maneira, não se assemelham uma com a outra. A teoria quântica reduz as "forças" à troca de pacotes discretos de energia, ou quanta, enquanto a teoria de Einstein de gravidade, por contraste, explica a propriedade das forças cósmica unindo as galáxias, postulando a deformação suave do "tecido" do espaço-tempo. Esta é a raiz do problema, a teoria quântica e a relatividade geral tem dois quadros físicos diferentes (pacotes de energia contra o continuum e suave espaço-tempo) e diferente matemática para descrevê-los.
Todas as tentativas feitas pelas maiores mentes do século XX no sentido de fundir a teoria quântica com a teoria da gravidade falharam. Inquestionavelmente, o maior problema daquele século diante dos físicos de hoje é a unificação destas duas estruturas físicas em uma só teoria.
Este estado triste de coisas pode ser comparado a Natureza Mãe que tem duas mãos com nenhuma delas se comunicando com a outra. Nada poderia ser mais embaraçoso ou patético do que ver alguém cuja mão esquerda agiu em ignorância total da mão direita.
Supercordas
Hoje, porém, muitos físicos pensam que finalmente nós resolvemos este problema que existe há muito tempo. Esta teoria, que é certamente "louca o bastante" para ser correta, surpreendeu a comunidade de físicos do mundo. Mas também deu origem a uma tempestade de controvérsias, com ganhadores de Prêmio Nobel, inflexíveis, que se sentaram em lados opostos da trincheira.
Esta é a teoria da supercorda, que postula que toda a matéria e energia pode ser reduzida a fios minúsculos de energia, que vibram num universo de 10 dimensões.
Edward Witten, do Instituto para Estudos Avançados de Princeton, que num certo grau reivindica ser o sucessor de Einstein, disse que teoria da supercorda dominará o mundo da física durante os próximos 50 anos, da mesma forma que a teoria quântica dominou a física durante os últimos 50 anos.
Como Einstein uma vez disse, todas grandes teorias físicas podem ser representadas através de quadros simples. Semelhantemente, teoria da supercordas pode ser explicada visualmente. Imagine uma corda de violino, por exemplo. Todo o mundo sabe que as notas A,B,C, etc. tocadas em uma corda de violino não são fundamentais. A nota A não é mais fundamental que a nota B. O que é fundamental, é claro, é a própria corda de violino em si. Estudando as vibrações ou harmônicos que podem existir em uma corda de violino, pode-se calcular o número infinito de possíveis freqüências que podem existir.
Semelhantemente, a supercorda também podem vibrar em freqüências diferentes. Cada freqüência, por sua vez, corresponde a uma partícula subatômica, ou um " quanta ". Isto explica por que parece ser um número infinito de partículas. De acordo com esta teoria, nossos corpos, que são feitos de partículas subatômicas. podem ser descritos pelas ressonâncias de trilhões e trilhões de cordas minúsculas.
Em resumo, as "notas" da supercorda são as partículas subatômicas, as "harmonias" das supercordas são as leis de físicas, e o "universo" pode ser comparado a uma sinfonia de supercordas vibrando.
Quando a corda vibra, porém, ela faz o continuum espaço-tempo circunvizinho se deformar. Milagrosamente, um cálculo detalhado mostra que a supercorda força o continuum espaço-tempo a ser torcido exatamente como Einstein originalmente predisse. Assim, nós temos uma descrição harmoniosa que funde a teoria dos quanta com a teoria do continuum espaço-tempo.
Hiperspaço de 10 dimensões
A teoria da supercorda representa talvez a renúncia mais radical da física ordinária, em décadas. Mas sua predição mais controversa é que o universo começou originalmente em 10 dimensões. Para seus partidários, a predição de um universo de 10 dimensões foi uma excursão conceitual da força, introduzindo uma assustadora e excitante matemática no mundo da física.
Aos críticos, porém, a introdução de um hiperspaço de 10 dimensões beira a ficção científica.
Para entender estas dimensões mais altas, lembramo-nos que se tomam três números para localizar todo objeto no universo, da ponta do seu nariz até os fins do universo.
Por exemplo, se você quiser encontrar alguns amigos para um almoço em Manhattan, você diz que os encontrará no edifício da esquina das avenidas 42º e 5º, no 37º andar. Tomam-se dois números para localizar sua posição em um mapa, e um número para especificar a distância acima do mapa. Tomam-se, assim, três números para especificar o local de seu almoço.
Entretanto, a existência da quarta dimensão espacial foi uma área de debate vivo desde o tempo dos gregos, que rejeitaram a possibilidade de uma quarta dimensão. Na realidade, Ptolomeu deu mesmo uma " prova " que dimensões mais altas não poderiam existir. Ptolomeu argumentou que somente três linhas retas mutuamente perpendiculares poderiam ser desenhadas (por exemplo, as três linhas perpendiculares formavam o canto de uma sala). Desde que uma quarta linha reta que fosse mutuamente perpendicular aos outros três eixos não poderia ser desenhada, Logo!, a quarta dimensão não poderia existir.
O que Ptolomeu provou de fato foi que é impossível para nós, os humanos, visualizar a quarta dimensão. Embora computadores manipulem equações habitualmente em espaço N-dimensional, nós, os humanos, somos incapazes de visualizar dimensões espaciais além de três.
A razão para este acidente infeliz tem a ver com a biologia, em lugar da física. A evolução humana pôs um prêmio ao poder de visualizarmos objetos que se movimentam em três dimensões. Havia uma pressão de seleção colocada nos humanos que poderiam escapar estocando um sabre em tigres de dente afiados ou poderiam arremessar uma lança a um mamute que está atacando.
Considerando que tigres não nos atacam na quarta dimensão, simplesmente não havia nenhuma vantagem no desenvolvimento um cérebro com a habilidade para visualizar objetos que se movimentam em quatro dimensões.
De um ponto de vista matemático, porém, somar dimensões mais altas é uma vantagem distinta: permite-nos descrever cada vez mais forças. Há mais "tolerância" em dimensões mais altas para inserir a força eletromagnética na força gravitacional. (Neste quadro, a luz se torna uma vibração na quarta dimensão). Em outras palavras, acrescentando sempre mais dimensões a uma teoria, permite-nos unificar mais as leis da física.
Uma analogia simples pode ajudar. Os antigos ficavam confusos com o tempo. Por que se faz mais frio quando nós vamos para o norte? Por que os ventos sopram para o Oeste? Qual é a origem das estações? Para os antigos, estes eram os mistérios que não poderiam ser resolvidos. Das suas perspectivas limitadas, os antigos nunca poderiam achar a solução para estes mistérios.
A chave para estes quebra-cabeças, é claro, é saltar para a terceira dimensão, ir para cima no espaço exterior, ver que a terra é de fato uma esfera que gira ao redor de um eixo inclinado. De uma só vez, estes mistérios do tempo tornaram-se transparentes. As estações, os ventos, os padrões de temperatura, etc., tudo tornavam-se óbvios, desde que saltássemos à terceira dimensão.
Igualmente, a supercorda pode acomodar um número grande de forças porque tem mais "tolerância" em suas equações para fazer isto.
O que Aconteceu Antes do Big Bang?
Um dos problemas inoportunos da velha teoria de Einstein da gravidade era que ela não explicava a origem do Big Bang. Não nos dava uma pista sobre o que acontecera antes do Big Bang.
A teoria da supercordas de 10 dimensões, porém, dá-nos uma explicação constrangedora da origem do Big Bang. De acordo com a teoria da supercorda, o universo começou originalmente como um perfeito universo de 10 dimensões, com nada nele.
Entretanto, este universo de 10 dimensões não era estável. O espaço-tempo de 10 dimensões original finalmente se "rachou" em dois pedaços, um universo de quatro e outro de seis dimensões. O universo fez o " salto quântico " para outro universo no qual seis das 10 dimensões se enrolaram em uma bola minúscula, permitindo o universo remanescente de quatro dimensões inflar à taxas enormes.
O universo quadrimensional (nosso mundo) expandiu-se rapidamente, criando eventualmente o Big Bang, enquanto o universo de seis dimensões se embrulhou em uma bola e se desmoronou ao tamanho infinitesimal.
Isto explica a origem do Big Bang, que é visto agora como um choque posterior mais secundário de mais um colapso cataclísmico: o rompimento de um universo de 10 dimensões em um de quatro e outro de seis dimensões.
Em princípio, também explica por que nós não podemos medir o universo de seis dimensões, porque ele se encolheu a um tamanho menor do que um átomo. Assim, nenhuma experiência ligada à terra pode medir o universo de seis dimensões.
Recriando a Criação
Embora a teoria da supercorda tenha sido chamada de a descoberta mais sensacional em física teórica nas últimas décadas, seus críticos focalizaram-se em seu ponto mais fraco, e que é quase impossível testar. A energia à qual as quatro forças fundamentais fundem-se em uma única e unificada força, acontece à fabulosa "energia de Planck" que é um bilhão de bilhões de vezes maior que a energia encontrada em um próton.
Até mesmo se todas as nações da terra se unissem com o único propósito de construir o maior átomo em toda a história, ainda não seria o bastante para testar a teoria. Por causa disto, alguns físicos ridicularizaram à idéia de que teoria da supercorda possa ser mesmo considerada uma teoria " legítima ". O laureado com o Nobel, Sheldon Glashow, por exemplo, comparou a teoria da supercorda ao programa Guerras nas Estrelas do Presidente Reagan (porque é instável e esgota o melhor talento científico).
A razão por que a teoria não pode ser testada é bastante simples. A Teoria do Tudo necessariamente é uma teoria de Criação, quer dizer, necessariamente tem que explicar tudo, da origem do Big Bang até os lírios do campo. Seu poder completo é manifestado no instante do Big Bang onde todas as suas simetrias estavam intatas. Testar esta teoria na terra, então, significa recriar a Criação na terra, o que é impossível com a tecnologia atual.
Embora isto seja desencorajador, um pedaço do quebra-cabeça poderá ser resolvido pelo Superconducting Supercollider (SSC), o qual, se construido, será o maior pedaço de átomo do mundo.
O SSC - A Maior Experiência de Todos os Tempos
Estas perguntas sobre a unificação das forças fundamentais não são acadêmicas, porque a maior máquina científica já construída, o SSC, pode ser usada para testar algumas destas idéias sobre o momento da Criação. (Embora o SSC fosse originalmente aprovado pela administração Reagan, o projeto, por causa de seu custo enorme, está ainda andando devagar, dependendo todos os anos de fundos do Congresso)
O SSC é projetado para acelerar prótons a uma energia estonteante de dez trilhões de elétrons-volts. Quando estas partículas subatômicas baterem em uma outra com estas energias fantásticas, o SSC, criará temperaturas que não foram vistas desde o instante da Criação (embora ainda seja muito fraca para testar a teoria da supercorda completamente). Isso é por que às vezes é chamada uma " janela da Criação ".
O SSC está projetado para custar mais de US$ 8 bilhões (que é grande comparado ao orçamento de ciência, mas insignificante comparado ao orçamento do Pentágono). Em certa medida, será uma máquina colossal. Consistirá em um anel de imãs poderosos estirado sobre um tubo mais de 50 milhas em diâmetro. Na realidade, pode-se ajustar o Anel Viário de Washington, que cerca a Washington D.C. facilmente dentro do SSC. Dentro deste tubo gigantesco, serão acelerados prótons a energias inimagináveis.
No momento, está programado para ser terminado perto da virada do século no Texas, próximo à cidade de Austin. Quando completo, empregará milhares de físicos e engenheiros e custará milhões de dólares para operar.
No mínimo, os físicos esperam que o SSC encontre algumas partículas subatômicas exóticas, tais como o " boson de Higgs" e o " quark top" para completar nosso entendendo atual da teoria quântica. Entretanto, também há a pequena chance que os físicos possam descobrir "partículas supersimétricas" que podem ser sobras da teoria da supercorda original. Em outras palavras, embora a teoria da supercorda não possa ser testada diretamente pelo SSC, espera-se achar ressonâncias da teoria da supercordas entre o escombros criados pelo despedaçamentos de prótons.
Parábola da Pedra Preciosa
Para entender a intensa controvérsia envolvendo a teoria da supercorda, pense na parábola seguinte:
Imagine que, no começo dos tempos, havia uma bonita e brilhante pedra preciosa. Suas simetrias perfeitas e suas harmonias eram uma beleza de se ver. Entretanto, possuída de uma minúscula falha ficou instável, explodindo eventualmente em milhares de pedaços minúsculos. Imagine que os fragmentos desta pedra preciosa cairam sobre um mundo plano, bidimensional, chamado Flatland, onde lá vivia uma raça mística de seres chamados Flatlanders.
Estes Flatlanders ficaram intrigados pela beleza dos fragmentos, que poderiam ser encontrados espalhados por toda parte de Flatland. Os cientistas de Flatland postularam que estes fragmentos deviam ter vindo de um cristal de beleza inimaginável que se despedaçou no titânico Big Bang. Eles decidiram, então, embarcar em uma indagação nobre, rejuntar todos aqueles pedaços da pedra preciosa..
Depois de 2.000 anos de trabalho, pelas melhores mentes Flatland, eles foram finalmente capazes de ajustar muitos, mas certamente não todos, fragmentos em dois grossos pedaços. O primeiro pedaço grosso foi chamado de " quantum, " e o segundo pedaço grosso foi chamado de "relatividade ".
Embora eles, os Flatlanders, estivessem legitimamente orgulhosos do seu progresso, ficaram espantados por achar que estes dois grossos pedaços não se ajustavam. Por meio século, os Flatlanders manobraram estes dois pedaços grossos de todos os modos possíveis, e ainda assim não se ajustavam.
Finalmente, alguns dos cientistas mais jovens, mais rebeldes, sugeriram uma solução herética: talvez estes dois pedaços grossos pudessem se ajustar se fossem movidos à terceira dimensão.
Isto provocou imediatamente a maior controvérsia científica daqueles anos. Os cientistas mais velhos ridicularizaram esta idéia, porque eles não acreditavam na terceira dimensão invisível. " O que você não pode medir não existe, " eles declararam.
Além disso, até mesmo se a terceira dimensão existisse, poder-se-ia calcular que a energia necessária para mover os pedaços para fora de Flatland, excederia toda a energia disponível em Flatland. Assim, era uma teoria instável, os críticos gritaram.
Porém, os cientistas mais jovens eram destemidos. Usando matemática pura, eles poderiam mostrar que estes dois pedaços grossos se ajustariam se eles fossem girados e mudaram-se para a terceira dimensão. Os cientistas mais jovens reivindicaram que o problema era portanto teórico, em vez de experimental. Se se pudesse resolver completamente as equações da terceira dimensão, então, em princípio, poder-se-ia ajustar estes dois pedaços grossos por completo e poderia solucionar o problema de uma vez por todas.
Nós Não Somos Bastante Inteligentes
Isso também é a conclusão dos entusiastas de hoje da supercorda, que o problema fundamental é teórico, não prático. O verdadeiro problema é resolver a teoria completamente, e então compará-la com os dados experimentais atuais. O problema, então, não está em construir pedaços de átomo gigantescos; o problema é ser inteligente o bastante para resolver a teoria.
Edward Witten, impressionado pelas vastas novas áreas de matemática, abertas pela teoria da supercorda, disse que a teoria da supercorda representa " a física do século 21 que caiu acidentalmente no século 20 ". Isto é porque a teoria da supercorda foi descoberta quase que por acidente. Pelo progresso normal da ciência, nós os físicos teóricos, poderíamos não tê-la descoberto por mais um outro século.
A teoria da supercorda pode muito bem ser a física do século 21, mas o gargalo tem sido que a matemática do século 21 não foi, contudo, descoberta. Em outras palavras, embora as equações da corda sejam perfeitamente bem definidas, ninguém é inteligente o bastante para os resolvê-las.
Esta situação não é completamente nova na história da física. Quando o Newton descobriu a lei universal de gravitação e tinha a idade de 23 anos, não pôde resolver a sua equação porque a matemática do século XVII era muito primitiva. Ele trabalhou, então, durante os 20 anos seguintes para desenvolver um novo formalismo matemático (cálculo) que era poderoso o sufucuente para resolver a sua lei de gavitação universal.
Semelhantemente, o problema fundamental que enfrenta a teoria da supercorda é teórico. Se nós pudéssemos somente afiar nossas habilidades analíticas e podessemos desenvolver ferramentas matemáticas mais poderosas, como Newton fez anteriormente, talvez pudéssemos resolver a teoria e terminar a controvérsia.
Ironicamente, as equações da supercorda nos foram colacadas antes e em uma forma perfeitamente bem definida, entretanto, somos muito primitivos para entender por que elas trabalham tão bem e bastante obscuros na esperteza para resolvê-la. A procura para a teoria do universo está entrando talvez finalmente em sua última fase, esperando o nascimento de uma matemática nova, poderosa o bastante, para resolver isto.
Imagine uma criança que contempla a um jogo de televisão. As imagens e histórias carregadas na tela são facilmente compreendidas pela criança, contudo, a feitiçaria eletrônica dentro do jogo de televisão está além da compreensão da criança. Nós os físicos, estamos como esta criança, contemplando com maravilha à sofisticação matemática e elegância das equações da supercorda e amedrontados pelo seu poder. Porém, como esta criança, não entendemos nós por que a teoria da supercorda funciona.
Concluindo, talvez alguns dos leitores ficarão inspirados por esta história e irão ler todos os livros nas suas bibliotecas sobre a teoria da supercorda. Talvez alguns dos jovens leitores deste artigo serão aqueles que completarão esta indagação para a Teoria do Universo, iniciada há tantos anos atrás por Einstein.
http://www.bertolo.pro.br/fisica_cosmologia/Cosmologia/Cosmology/Theory%20of%20Everythings.htm
A Grande Teoria Unificada da física
Os anos 1970 foi uma época inebriante na física de partículas. Novos aceleradores nos Estados Unidos e na Europa transformam partículas inesperadas que os teóricos tentam explicar e por sua vez previu novas partículas elementares que iriam por vir nos experimentos. O resultado foi o Modelo Padrão de partículas e interações, uma teoria que é, essencialmente, um catálogo dos bits fundamentais da matéria e as forças que os regem.
Enquanto o Modelo Padrão é uma boa descrição do mundo subatômico, alguns aspectos importantes - como partículas e suas massas - saíram de experimentos ao invés de teorias.
"Se você notar, o Modelo Padrão, francamente é uma bagunça", diz John Ellis, um físico de partículas do Kings College London. "Você tem um monte de parâmetros, e todos eles parecem arbitrários. Você não pode me convencer de que é a teoria final! "
A ideia seria criar uma grande teoria unificada, ou GUT, que elegantemente explicar como o universo funciona, ligando três das quatro forças conhecidas juntas. Os físicos primeiramente ligaram a força eletromagnética, que determina a estrutura dos átomos e o comportamento da luz e a força nuclear fraca, que está na base como as partículas de decaimento.
Mas eles não pararam por aí. Os cientistas começaram a trabalhar para vincular essa teoria eletrofraca com a força forte, que liga quarks para formar coisas como os prótons enêutrons em nossos átomos. (A quarta força que conhecemos, a gravidade, não tem uma teoria quântica completa, por isso é relegada ao reino das Teorias de Tudo, ou, do inglês, Theories of Everthyng - ToE's )
Conheça as quatro forças fundamentais do Universo
A ligação entre as diferentes forças em uma única teoria não é fácil, uma vez que cada uma se comporta de maneira diferente. O Eletromagnetismo é uma força de longo alcance, a força fraca é de curta distância, e a força forte é fraao em ambientes de alta energia, como no universo primordial e forte, onde a energia é baixa. Para unificar essas três forças, os cientistas têm de explicar como elas podem ser aspectos de uma única coisa e ainda manifestar-se em formas radicalmente diferentes no mundo real.
A teoria eletrofraca unificada das forças eletromagnética e fraca, propõe que aspectos de uma única interação que está presente apenas em altas energias, como em um acelerador de partículas ou muito cedo universo. Acima de um determinado limiar conhecido como a escala eletrofraca, não há diferença entre as duas forças, mas a unidade é quebrada quando a energia cai abaixo de um certo ponto.
Os GUTs desenvolvidas em meados da década de 1970 para incorporar a força forte previu novas partículas, assim como a teoria eletrofraca fez antes. Na verdade, a primeira GUT mostrou uma relação entre as massas das partículas que permitiram físicos fazerem previsões sobre a partícula mais pesado antes de ter sido detectada experimentalmente.
"Calculamos a massa do quark bottom antes de ser descoberto", disse Mary Gaillard, um físico de partículas da Universidade da Califórnia, Berkeley. Os cientistas do Fermilab viriam a encontrar a partícula em 1977.
GUTs também previu que os prótons deve decair em partículas mais leves. Havia apenas um problema: Experimentos não viram esse decaimento.
O problema com prótons
A GUT previu que todos os quarks poderiam potencialmente mudar em partículas mais leves, incluindo os quarks que formam os prótons. Na verdade, a GUT disse que prótons seria instáveis durante um período muito mais do que o tempo de vida do universo. Para maximizar as chances de ver esse decaimento de prótons raros, os físicos precisaram construir detectores com muitos átomos.
No entanto, o primeiro experimento de Kamiokande no Japão não detectou qualquer decaimento de prótons, que significava uma vida de prótons mais curta do que o previsto pela teoria do GUT mais simplória. O GUT surgiu com tempos de vidas mais previstas para prótons – assim como interações mais complicadas e partículas adicionais.
GUT's mais modernas se misturam em Supersimetria (SUSY), uma forma de pensar sobre a estrutura do espaço-tempo que tem profundas implicações para a física de partículas. SUSY usa interações extras para ajustar a força das três forças no modelo padrão, para que eles se encontrem em uma energia muito alta, conhecida como a escala das GUT's.
"A Supersimetria dá mais partículas envolvidas através de efeitos quânticos virtuais no decaimento do próton," diz JoAnne Hewett, um físico do departamento de energia do SLAC National Accelerator Laboratory. Ela estende a vida útil prevista do próton além do que experiências anteriores foram capazes de testar. Ainda baseadas na SUSY, a GUT também teve alguns problemas.
"Eles são meio bagunçadas", disse Gaillard. Particularmente, estas teorias prevêem mais partículas Higgs e o bóson de Higgs do modelo padrão deve se comportar de maneiras diferentes. Por essa razão, Gaillard e outros físicos são menos apaixonados com a GUT do que eram na década de 1970 e 80. Para piorar a situação, nenhuma partícula supersimétrica foi encontrada ainda. Mas a caçada continua.
"A base filosófica que impulsionou a grande unificação ainda não morreu, e é tão importante quanto nunca," diz Ellis. "Eu ainda amo a Suzy, e também estou apaixonado com a GUT"
Hewett concorda que a GUT ainda não está morta.
"Acredito firmemente que uma observação de decaimento do próton afetaria como cada pessoa iria pensar sobre o mundo", diz ela. "Todo mundo poderia entender que somos feitos de prótons e' Oh uau!' Eles decaem!'"
Experiências recentes como o Hyper-K propostas no Japão e o experimento de Neutrino subterrâneo profundo nos Estados Unidos serão a sonda de decaimento de prótons de maior precisão do que nunca. Ver um decaimento de prótons nos dirá algo sobre a unificação das forças da natureza, e se nós, finalmente, poderemos confiar em nossas entranhas.
https://www.misteriosdouniverso.net/2016/05/pela-uniao-de-seus-poderes-grande.html
Uma Teoria de Tudo
Uma Teoria de Tudo, ou teoria do todo, ou ainda teoria unificada ou unificadora, expressões mais simples para Teoria da Grande Unificação, ou TGU (ou ToE por suas iniciais em inglês), é uma teoria científica hipotética que unificaria, procuraria explicar e conectar em uma só estrutura teórica, todos os fenômenos físicos (juntando a mecânica quântica e a relatividade geral) num único tratamento teórico e matemático.
Inicialmente, o termo foi usado com uma conotação irônica para referir-se a várias teorias sobre generalizadas. Depois o termo se popularizou na Física quântica ao descrever uma teoria que poderia unificar ou explicar através dos para referir-se ao mesmo conceito são grande teoria unificada, teoria de campos unificada e teoria do campo unificado.
Índice
Noções
Houve numerosas teorias de tudo propostas por físicos teóricos no século passado, mas até agora nenhuma tem sido capaz de apresentar uma prova experimental, tem havido tremendas dificuldades para que suas teorias tenham resultados experimentais estáveis. Albert Einstein tentou desenvolver uma teoria de tudo. No seu tempo se acreditava que a única tarefa seria unificar a relatividade geral e o eletromagnetismo. O primeiro problema em produzir uma teoria de tudo é que as teorias aceitas, como a mecânica quântica e a relatividade geral, são radicalmente diferentes nas descrições do universo: as formas possíveis de combiná-las conduzem rapidamente à "renormalização" do problema, onde a teoria não nos dá resultados finitos para dados quantitativos experimentais.
As teorias pretendentes a serem teorias de unificação têm grande importância em cosmologia, especialmente na descrição dos fenômenos mais primordiais da evolução do universo, em especial nos primeiros instantes posteriores ao Big Bang, como os que determinam o decaimento dos prótons.[1] Atualmente um dos obstáculos existente é o gráviton, que embora tenha a sua existência sido prevista teoricamente ainda não foi confirmado experimentalmente.
A Teoria das Cordas assume-se como candidata a uma Teoria de Tudo. Igualmente, assumem os seus pesquisadores e defensores que a Teoria M seria a teoria da grande unificação, ou ainda a Gravitação Quântica em Loop. Podemos também atribuir à Teoria do Tudo as teorias do "Mundo em 10 dimensões" de Michael Green e John Schwartz (1989) e dos "Universos múltiplos em 11 dimensões" de Edward Witten (1995).
Afirmam alguns pesquisadores de uma Teoria de Grande Unificação que existem na natureza os chamados "campos de Higgs", relacionados com o bóson de Higgs, os quais determinariam a massa das partículas.[2]
Antecedentes históricos
O conceito de uma teoria de tudo é arraigada em uma velha ideia de causalidade, famosa expressão de Laplace:
Um intelecto que em um certo momento pudesse conhecer todas as forças que estabelecem a natureza em movimento, e todas as posições de todos os temas que essa natureza compõe, se esse intelecto fosse também tão suficiente para apresentar esses dados em uma análise, que pudesse unir em uma simples fórmula os movimentos dos grandes corpos do universo e o muito pequeno do átomo; para esse tipo de intelecto nada será incerto e o futuro como o passado seria o presente para esses olhos
Ainda que isto possa ser citado como determinista, em uma "simples fórmula" pode todavia existir se a física é fundamentalmente probabilística, como diz a moderna mecânica quântica.
Desde os tempos dos antigos gregos, os filósofos pré-socráticos e seus posteriores têm especulado que a aparente diversidade de aparências que oculta uma subjacente unidade, e portanto que a lista das forças pode ser minimizada, de modo que possa ter uma só essência.
Por exemplo, a filosofia mecânica do século XVII propôs que todas as forças poderiam por último reduzir-se a uma força de contato entre pequenas partículas sólidas.[3] Isto foi abandonado depois da aceitação das forças gravitacionais a grande distância propostas por Isaac Newton; mas ao mesmo tempo o trabalho de Newton em seu Principia proveu a primeira dramática evidência empírica da unificação de forças que nesse momento pareciam diferentes: o trabalho de Galileo na gravitação terrestre, as leis de Kepler do movimento planetário e os fenômenos de marés foram todas quantitativamente explicadas por uma simples lei, chamada de a gravitação universal.
Em 1820, Hans Christian Oersted descobriu uma conexão entre a eletricidade e o magnetismo, muitas décadas de trabalho culminaram na teoria do electromagnetismo de James Clerk Maxwell. Também durante os séculos XIX e XX, gradualmente apareceram muitos exemplos de forças de contato, elasticidade, viscosidade, fricção, pressão- resultados das interações elétricas entre pequeníssimas partículas da matéria. Ao final de 1920, a nova mecânica quânticamostrou que as interações químicas se tratavam de forças elétricas (quânticas), justificando o que Dirac havia dito sobre que as leis físicas necessárias para a teoria matemática de uma grande parte dos físicos e químicos eram então completamente conhecidos.[4]
As tentativas de unificar a gravidade com o magnetismo se remontam aos experimentos de 1849-50 de Michael Faraday[5] Depois da teoria gravitacional (relatividade geral) de Einstein publicada em 1915, a busca de uma teoria do campo unificado que combine gravidade com eletromagnetismo se tornou mais séria. Ao mesmo tempo, se tornou plausível se dizer que não existiam mais forças fundamentais. Proeminentes contribuições foram as outorgadas por Gunnar Nordstrom, Hermann Weyl, Arthur Eddington, Theodor Kaluza, Oskar Klein,e a mais notável dada por Einstein e seus colaboradores. Nenhuma destas propostas tiveram êxito.[6] A busca foi interrompida pelo descobrimento das forças fraca e forte, que não podiam ser agregadas dentro da gravidade ou do eletromagnetismo.
Outro obstáculo foi a aceitação de que a mecânica quântica teria de ser incorporada desde o início, não emergiu como uma consequência da determinística teoria unificada, como Einstein esperava. Gravidade e Eletromagnetismo podem sempre coexistir pacificamente como tipos de forças de Newton, mas por muitos anos se tem observado que a gravidade não pode ser incorporada no panorama quântico, deixando-a só ao unificar-se com outras forças fundamentais. Por esta razão este trabalho de unificação no século XX se focalizou em entender as três forças "quânticas": eletromagnetismo e as forças nucleares fraca e forte. As duas primeiras foram unificadas em 1967-8 por Sheldon Glashow, Steven Weinberg, e Abdus Salam.[7] As forças forte e a eletrofraca coexistem no modelo padrão de partículas, mas se mantém distintas. Muitas teorias unificadas (o GUT por suas siglas em inglês) têm sido propostas para unificá-las. Ainda que a simplicidade das GUTs tem sido descartadas pela experiência, a ideia geral, especialmente quando se vincula com as supersimetrias, continua firmemente a favor da comunidade teórica de física.
A Física moderna
Na corrente principal da física atual, a Teoria de Tudo poderia unificar todas as interações fundamentais da natureza, que são consideradas como quatro: gravitação, a força nuclear forte, a força nuclear fraca e a eletromagnética. Porque a força forte pode transformar partículas elementares de uma classe a outra, a teoria de tudo deveria produzir uma profunda compreensão de vários diferentes tipos de partículas como de diferentes forças. O padrão previsível das teorias é o seguinte:
Adicionalmente às forças listadas aqui, a moderna cosmologia requer uma força inflacionária, energia escura, e também matéria escura composta de partículas fundamentais fora da cena do modelo padrão.
A unificação eletrofraca é uma "simetria quebrada": o eletromagnetismo e a força fraca parecem distinguir-se a baixas energias porque as partículas portam forças fracas, os bósons W e Z têm a massa de aproximadamente de 100GeV/c^2, enquanto que o fóton, que portam a força eletromagnética, não têm massa. A altas energias os bósons W e Z podem criar massa facilmente e a natureza unificada das forças aparece.
A grande unificação se espera que trabalhe em um caminho similar, mas as energias na ordem de 10^16GeV ou muito maiores não podem ser obtidas por nenhum acelerador de partículas na terra. Por analogia, a unificação das forças GUT com a gravidade se espera que seja a uma energia de Planck, em torno de 10^19 GeV.
Poderia ser prematuro a busca por uma teoria de tudo quando não existe evidência direta de uma força eletronuclear e ainda em qualquer caso existem muitas diferentes propostas de GUTs. De fato o nome deliberado está envolto no Híbris. Entretanto muitos físicos creem que a unificação é possível, devido em parte à história de convergência até uma mesma teoria. A supersimetria se vê plausível não só por sua "beleza" teórica, senão por sua naturalidade ao produzir grandes quantidades de matéria escura, e a força inflacionária pode ser relacionada a GUT físicas (ainda que não parece formar parte inevitável da teoria). E agora as GUTs não são claramente a resposta final. Tanto o modelo padrão atual como a proposta GUT são teorias quânticas de campos que requerem a problemática técnica da renormalização de respostas a campos sensíveis. É usual considerar-se como um sinal de que há uma só teoria de campos efetiva omitindo fenômenos cruciais só a muito altas energias. Além disso a inconsistência entre a mecânica quântica e a relatividade geral implica que uma das duas deve ser substituída por uma teoria que incorpore a gravidade quântica.
A única candidata principal a uma teoria de tudo no momento é a teoria das supercordas. Investigações em curso sobre a Gravidade quântica em loop pode eventualmente lançar um passo fundamental na teoria de tudo, mas este não é o principal objetivo. Estas teorias pretendem tratar com a renormalização do problema mediante o estabelecimento de algumas no limite inferior de escalas de comprimento possível. A teoria de supercordas e a supergravidade (se crê que ambas são casos especiais de uma teoria M por definir-se) supõe que o universo atualmente tem mais mais dimensões que o que pode-se ver-se a primeira vista, três espaciais e uma temporal.
A motivação por trás desta abordagem começa com a teoria Kaluza-Klein onde se notou que ao aplicar a relatividade geral em um universo de 5 dimensões (uma dimensão mais uma pequena dimensão compactada) a manteria equivalente à relatividade geral, de 4 dimensões, com las leis de Maxwell do eletromagnetismo (também em 4 dimensões). Isto tem dado lugar a esforços para trabalhar-se com teorias de muitas dimensões nas que se espera que se possam produzir equações que sejam similares às conhecidas em física. A noção de extradimensões também ajuda a resolver o problema da hierarquia, onde a pergunta de porque a gravidade é mais fraca que qualquer outra força. A resposta comum diz que a gravidade estaria em uma dimensão extra às outras forças.
Ao final de 1990 se notou que um dos problemas com muitas candidatas a teorias de tudo (mas particularmente com a teoria de cordas) era que estas não continham as características de predizer o universo. Por exemplo, muitas teorias da gravidade quântica podem criar universos com arbitrário número de dimensões ou com arbitrárias constantes cosmológicas. Inclusive a "padrão" teoria de cordas 10-dimensional permite às dimensões "espiraladas" serem compactadas em muitos diferentes caminhos (um estimado é 10^500 onde cada uma corresponde à conjuntos diferentes de partículas fundamentais e forças de baixa energia).
Uma solução especulativa é que muitas dessas possibilidades são realizáveis em um ou outro dos universos possíveis, mas só um número pequeno deles são habitáveis, e portanto as constantes universais fundamentais são por último o resultado de um principio antrópico como consequência de uma teoria de tudo. Esta aproximação antrópica é claramente criticada no que tange a que a teoria é suficientemente flexível para abarcar quase qualquer observação, não poderia fazer predições úteis (como originais, falseáveisou verificáveis). Deste ponto de vista, a teoria de cordas poderia ser considerada como pseudociência, onde uma teoria infalseável é constantemente adaptada para que os resultados experimentais se ajustem a ela.
Relações com o teorema da incompletude de Gödel
Um pequeno número de cientistas afirma que o Teorema da incompletude de Gödel prova que qualquer tentativa de construir uma teoria de tudo está destinada ao fracasso. O teorema de Gödel diz que qualquer teoria matemática não trivial é inconsistente ou incompleta. Stanley Jaki assinalou em seu livro de 1966 "A Relevância da Física" que qualquer teoria de tudo deverá ser uma teoria matemática consistentemente não trivial, com o que deve ser incompleta. Ele afirma que condena a uma teoria determinista do tudo.[8]Freeman Dyson tinha estabelecido que:
“O teorema de Gödel implica que a matemática pura é inexaurível. Não importa quantos problemas possa-se resolver, sempre haverá outros problemas que não podem ser resolvidos com as regras existentes. Pelo teorema de Gödel, a física também é inexaurível. As leis da física são um conjunto finito de regras, e inclui as regras para fazer matemáticas, então o teorema de Gödel é aplicado nelas.”
Muitos têm interpretado esta citação para apoiar a posição de Jaki.
Stephen Hawking foi originariamente crente em uma teoria de tudo mas depois de considerar o teorema de Gödel, concluiu que esta não poderia ser obtida.
“Algumas pessoas ficarão desapontadas se não há uma teoria final, que possa ser formulada por um número finito de princípios. Eu pertencia a este grupo, mas mudei de ideia.”
Esta visão tem sido contra-argumentada por Solomon Feferman,[9] assim como por outros.
Muitos cientistas e matemáticos crêem que o teorema de Gödel é completamente irrelevante quando se discute uma teoria de tudo. O teorema de Gödel é uma declaração sobre que teoremas eventualmente resultariam sistemas matemáticos, onde "eventualmente" significa depois de um tempo arbitrário. O teorema de Godel não impede que um matemático compute o que ocorre depois de qualquer quantidade de tempo, ou não previne a uma pessoa que conheça as regras para fazer os cálculos. Tudo o que o teorema de Gödel diz é que, inclusive conhecendo todas as regras, seria impossível predizer que novos padrões produzirão eventualmente as regras.
Potencial status da Teoria de Tudo
Nenhuma teoria física no momento se acredita como sendo precisamente exata. Em lugar disto, a física tem procedido por séries de "aproximações sucessivas" permitindo mais e mais precisas previsões sobre uma ampla gama de fenômenos. Muitos físicos creem que existam muitos erros nos confusos modelos teóricos com a natureza mais íntima da realidade e sustentam que a série de aproximações nunca terminará na "verdade". Mesmo Einstein expressou sua visão em ocasiões.[10]
Em seu ponto de vista podemos razoavelmente esperar por "uma" teoria de tudo onde consistente - em si mesma- incorpore todas as forças conhecidas atualmente, mas não devemos esperar ter a resposta final. Por outro lado estava aberto a opinar que apesar da aparente complexidade matemática em cada teoria, em um sentido profundo associado com sua subjacente simetria gaugianae ao número de constantes físicas universais, as teorias se simplificaram. Se isso ocorre, o processo de simplificação não pode continuar indefinidamente.
