Teoria-M
A ORIGEM DO UNIVERSO
PELA TEORIA-M DE HAWKING.
A maioria das pessoas acredita (erroneamente) que o Big Bang é a resposta para a origem do Universo. Na verdade o Big Bang não corresponde a sua origem propriamente dita, mas ao início do processo de expansão do Universo, ou seja, os primeiros momentos de inflação e de espalhamento da energia concentrada em um ponto quente de densidade infinita.
A relatividade geral de Einstein explica justamente essa evolução, de como as leis da física foram estabelecidas ao longo do tempo de existência do universo. A origem do Universo, ou o mecanismo que deu origem a essa expansão é um evento que é explicado pela física quântica e vem sendo martelado por físicos ao longo do último século.
Existem muitas formas de se abordar e estudar a origem do universo e uma delas é a proposta pela física quântica.
Isso ocorre porque a física clássica newtoniana não funciona tão bem quando estamos observando fenômenos em uma escala diferente.
Um exemplo comparativo é que Newton dizia que o menor caminho percorrido entre dois pontos é uma reta. Do ponto de vista da Relatividade Geral, por exemplo, a menor distância a ser percorrida entre dois pontos pode ser uma curva, porque os objetos seguem uma trajetória geodésica em uma superfície bidimensional como a superfície da Terra. Essa idéias é muito utilizada por exemplo para calcular rotas de avião e sob a física newtoniana teria um resultado bastante diferente. Mas a física relativista de Einstein ainda sim é uma física clássica. A física clássica nós podemos estudar em casa, qualquer pessoa hoje em dia pode comprar os pêndulos de Newton. Einstein elaborou sua teoria da relatividade baseado em seu cotidiano, mais precisamente olhando o movimento do trem que pegava para ir trabalhar como registrador de patentes.
Na física quântica o menor trajeto entre dois pontos pode ser qualquer trajetória possível dentro do espaço. De fato o princípio da incerteza mostra justamente isso. Ao calcularmos a trajetória de uma partícula sub-atômica podemos definir suas possíveis trajetórias, mas não a sua velocidades. Por outro lado se calcularmos sua velocidade não saberemos a sua trajetória. É justamente essa abordagem da física quântica que mostra que o Universo pode ser constituído sob muitas versões.
A física relativista demonstra a evolução do Universo com base principalmente na gravidade. Na verdade a chave da evolução do Universo e também de sua origem está em volta da gravidade como neutralizador da energia.
A teoria para a origem do Universo é a do Big Bang que traz sua origem a partir de três dimensões do espaço (norte-sul, leste-oeste, para cima e para baixo) mais o tempo como uma quarta dimensão – uma vez que que tanto o espaço quanto o tempo podem ser dobrados quando submetidos a ação da gravidade.
Portanto, o Big Bang pode ser estudado sob a abordagem Top-down onde partimos do presente para estudar o contra-fluxo dos eventos que ocorreram ao longo do tempo de existência, ou inflação do Universo. E a abordagem Botom-up, onde estudamos o Universo de sua origem seguindo o tempo e a inflação até o presente.
Outra abordagem sob a origem do Universo que é mais complicada – embora tenha sido bastante respeitada – é a Hipótese das Cordas, onde há a presença de 10 dimensões mais uma que é o tempo. Nesta proposta só vivenciamos 4 dessas dimensões enquanto as outras se encontram enroladas sob si e inacessíveis. Alguns físicos tem notado muitas dualidades nas diferentes versões da hipótese das cordas.
Para a física quântica poderiam existir vários Universos. Cada qual sendo criado e destruído segundo suas respectivas leis da física que podem apresentar valores diferentes em suas constantes e portanto, atuar de forma distinta. Desta forma temos o termo chamado Multiverso, caracterizado pela grande quantidade de Universos possíveis chega a casa do 10500. Nosso Universo seria somente mais uma versão. Desta forma, na física quântica, chegamos a uma conclusão bastante evidenciada ao longo da história da ciência e que tem ferido a concepção de que tudo foi criado para nos servir. O Universo não conspirou a nosso favor, ele é simplesmente uma versão de trilhões de outros Universos possíveis. Para esta hipótese, nosso universo é só mais uma brana.
O Multiverso
Alguns cientistas dizem que estas branas ficam afastadas umas das outras e podem se chocar. Nos intervalos entre choques, elas se expandem e se atraem. Durante este retorno, ocorre a inflação do Universo e sua característica aceleração. Assim o Universo que conhecemos pode fazer parte de um Multiverso que vem se ajustando ao longo do tempo.
Ao longo da história, os religiosos acreditavam que a Terra era o centro do universo, hoje não somos mais o centro, na verdade não somos mais um único planeta como pensavam. Existem trilhões de planetas e bilhões e bilhões de estrelas e nosso Sol é só mais uma estrela de porte média/pequeno no céu. Nosso planeta uma poeira no meio da praia, ou um planeta na periferia de uma Galáxia qualquer. Embora um planeta com condições de vida como o nosso seja ainda único, existem vários planetas com números equivalentes a da Terra no que tange a sua distância em relação a sua estrela ou sua probabilidade de ocorrência de vida (não-inteligente) na zona ecológica com uma trajetória elíptica similar.
Pela teoria vigente do Big Bang, o Universo tem aproximadamente 13,7 bilhões de anos. Essa data é alcançada através de cálculos: sabemos que o registro de vida mais antigo tem aproximadamente 3,8 bilhões de anos, a geologia nos diz que a Terra mais ou menos 4,5 bilhões de anos, o sistema solar 5 bilhões. Para a ocorrência de vida a sua base química primordial é o carbono. O carbono não foi formado logo no início da inflação do Universo, mas ao longo de sua evolução.
Os primeiros elementos simples que fizeram parte do Universo primordial foram o Hidrogênio o Hélio e o Lítio. Apesar de todo o caos no início de formação do Universo onde estrelas e Galáxias eram forçadas e se chocavam criando buracos negros que puxam a matéria e formavam nossos compostos forjando novos eventos cosmológicos, o carbono é resultado de bilhões de anos de reações químicas que ocorreram no maior laboratório químico do mundo, as estrelas.
As estrelas funcionam de forma bastante especial (Veja: TELESCÓPIO FOTOGRAFA AGLOMERADO DE ESTRELAS BEBÊS) elas fundem átomos de hidrogênio, juntando dois a dois pela fusão nuclear e liberando quantidades enormes de energia. Ao fundir-se ocorre a formação do Hélio que pode se fundir com um terceiro Hélio e formar o Berílio que é bastante instável e se desfaz formando o Hélio novamente.
Ao longo de sua vida a estrela repete esse processo até cessar seu combustível e então, explode em um evento chamado Supernova. Essa explosão consegue manter estável essas ligações químicas e formar o carbono. A explosão libera esse carbono por todo o espaço, podendo estar presente em novas formações de corpos celestes e permitir a vida surgir. De fato, um processo deste demora bilhões de anos segundo as estimativas dos físicos e cosmólogos. O Principio Antrópico é justamente este, ele mostra que antes de 10 bilhões de anos não havia matéria prima para a formação da vida que culmina justamente nos últimos 3,8 bilhões de anos, e quando somado com o tempo de explosão das primeiras Supernovas datam exatamente 13 bilhões de anos.
A evolução cósmica é sugerida pela inflação, que é o processo de expansão do Universo e que é considerado um fato consolidado pela física graças a medicação de radiação de fundo. Essas microondas são liberadas pelas Galáxias que tendem a se distanciar cada vez mais uma das outras. Como conseqüência essa radiação de microondas que sai de uma Galáxia tem demorado cada vez mais para chegar na nossa Galáxia e evidencia que o Universo ainda esta em um processo de inflação que iniciou após o Big Bang e vem se desacelerando ao longo desses bilhões de anos.
Ao longo do tempo essa radiação que incide sobre nossa galáxia tem apresentado também oscilações, resultado das mudanças de temperatura que vem ocorrendo desde o Big Bang uma vez que o Universo ao mesmo tempo que infla perde parte de sua temperatura.
Então do ponto de vista quântico, nosso Universo é somente mais um dentre tantos possíveis, criados e destruídos por serem insustentáveis. Assim, as leis que governam o nosso Universo são tão específicas que nos levaria a crer que ele foi especialmente projetado para nós, mas do ponto de vista quântico outros Universos podem ser criados e podem ter leis que suportem uma probabilidade de vida semelhante a nossa, superior a nossa ou nenhuma forma de vida.
Estudos mostram que durante milhares de anos as forças naturais que conhecemos hoje e que chamamos de constantes na física eram diferentes em épocas remotas e ainda permanecem iguais em determinados pontos do universo. Estas forças naturais por terem sido diferentes do que são hoje, impediam o surgimento da própria vida. Em uma reportagem da Scientific American, estudiosos mostraram que uma variação na Constante de estrutura fina poderia causar transtornos nas atividades comuns ao universo hoje. A constante da estrutura fina é dada pela fórmula α=e²/2 ε0hc
Se a constante da estrutura fina fosse menor, a densidade da matéria atômica também seria menor e as ligações entre elas seriam mais frágeis diante de temperaturas menores. Se a estrutura fina fosse maior, os núcleos atômicos muito pequenos não existiriam devido a repulsão elétrica entre os prótons e nêutrons. Talvez, em alguns outros lugares do Universo esta constante seja diferente e poderia sugerir realmente esses Multiversos. No nosso caso o que importa é que durante os últimos 6 bilhões anos a energia escura começou a tomar conta do Universo fazendo com que a constante de estrutura fina se mantivesse na mesma medida. Essa variação da constante no Universo também fornece dados fundamentais complicando a tese da existência de vida inteligente em outro planeta e graças ao Princípio Antrópico e a equação de Drake (N = T x Fp x Np x fv x fi x fc x v) essa possibilidade cai ainda mais.
Einstein inicialmente concebeu o Universo de maneira estática e então ele propôs a Constante Cosmológica para explica-lo. A constante foi abandonada quando descobriu-se a inflação do Universo. Hoje sabemos que mesmo quando Einstein errou ele também acertou, pois a Constante Cosmológica parece realmente existir e é a anti-gravidade atuando sob a gravidade evitando que o Universo entre em colapso sobre si mesmo.
Mas qual a origem do universo?
Bem, essa é a proposta trazida por Stephen Hawking e Leonard Mlodinow em seu livro “O Grande Projeto” onde sugere que a origem do Universo é um evento quântico e sua criação é perfeitamente possível sob a unificação das teorias da física, a chamada de Teoria-M.
A unificação das leis é uma tentativa de juntar a força nuclear forte, força nuclear fraca, eletromagnetismo e a gravidade de Einstein em uma coisa só. A gravidade é a força mais fraca do universo embora tenha longo alcance. A eletromagnetismo foi concebido por Richard Feymann na década de 40; a força nuclear fraca é a radiação responsável pela formação dos elementos das estrelas e dos primórdios do Universo. A força nuclear forte é a que une as partículas de um núcleo atômico, os prótons e nêutrons.
No final da década de 60 Abdul Salam e Steven Weinberg conseguiram unificar o eletromagnetismo com a força fraca e denominaram a cromodinâmica quântica. O grande problema esta sendo unificar a cromodinâmica quântica com a força nuclear e a aparente impossibilidade (até o momento) de conecta-las a gravidade.
Se for realmente possível a unificação dessas quatro leis, será possível compreender a formação do Universo do ponto de vista quântico.
O Universo pode ser criado sobre simples regras. Isso quer dizer que com simples regras – como essas 4 leis – seria possível criar estruturas extremamente complexas partindo do zero. De fato isso tem sido evidenciado até mesmo em outras áreas da ciência como na biologia. A proposta de Darwin é bastante simples e tem explicada com notável êxito a complexidade química, anatômica e estrutural dos organismos vivos seguindo a ideia de que organismos com pequenas modificações que lhes conferem vantagens tem maior chance de sobreviver e passar essas vantagens a próxima geração. Esse acúmulo de sutis modificações ao longo de milhões de anos é o mecanismo que explica tamanha biodiversidade no planeta e graus de complexidades na vida, explicando desde as simples bactérias até os besouros-bombardeiro. Como isso é possível? É possível porque os menos aptos e as mudanças que não conferem vantagens aos vivos pune com a morte.
A mesma coisa ocorre na física, a unificação das leis da física em uma única – a Teoria M – , ou uma única lei que desmembra-se pode explicar a origem do Cosmo.
Já foi demonstrado que o vácuo pode gerar partículas elementares da matéria. Isso porque no vácuo há um processo de aniquilação: ocorre quando a matéria se uni a sua correspondente anti-matéria. Essa aniquilação libera energia e luz. A luz é um pacote de fótons que se propaga em forma de ondas e como sabemos os elétrons (formado por partículas sub-atômicas como os quarks [que possuem também anti-quarks e assim por diante como uma casa de bonecas russa]) são elementos básicos para a base da matéria (veja: PARTÍCULAS PODEM SER CRIADAS A PARTIR DO VÁCUO). Sob a unificação das leis da física na Teoria-M o Universo é uma criação espontânea, que é a defesa de Hawking, de que o tudo é uma conseqüência das leis da física, ou da Teoria-M.
Mas então como a física quântica explica a origem do Universo? Como a Teoria-M e a gravidade se encaixam como origem e evolução do Universo? O que Hawking quer dizer com isso?
Aqui entra o complicado grande projeto e suas leis: todo objeto tem uma força positiva. Se a energia de um objeto fosse negativa ela seria sido criada em estado de movimento e neutralizada com a energia positiva. O espaço então seria estável. Para criar um corpo gasta-se energia e isso não pode ocorrer já que o universo é estável e constante. Ou seja, a energia do Universo deve ser nula obedecendo a lei da termodinâmica – de que ela não pode ser criada nem destruída.
Mas se para criar um objeto a energia deve ser nula o Universo seria criado do nada?
Ai entra a gravidade. Ela é uma força de atração, portanto trás uma energia negativa. Alias, essa relação entra energia e matéria é a base da formula de Einstein (E=m.a2). A evolução do Universo é dada pela desaceleração da energia (após o Big Bang) que é convertida em matéria. Se pegarmos um carro e acelerarmos ele a velocidade da luz ele será deformado e convertido em energia pura como apresenta a Relatividade de Einstein.
Como a gravidade deforma o tecido do espaço
Sendo a gravidade uma energia, é notável que para separar a gravitação da Lua sob Terra (e vice e versa) utiliza-se muita energia. Essa energia negativa da gravidade neutraliza a criação de matéria pela energia positiva. Embora a gravidade – uma força negativa – seja uma força bilhões de vezes inferior a energia positiva há um detalhe importante. Uma estrela esta carregada de energia negativa da gravidade e quanto menor for o corpo mais negativa ela será e antes dela superar a energia positiva a estrela colapsa em um buraco negro. Portanto eles não aparecem do nada, mas o Universo pode surgir espontaneamente.
Como a gravidade deforma o tempo e o espaço ela permite que ele seja estável em um local, mas totalmente instável em sua amplitude. Então se a energia positiva da matéria pode ser anulada pela energia negativa da gravidade, então, o Universo pode surgir de formas bastante diferentes contemplando um Multiverso, ou seja, vários Universos com suas características peculiares.
Com a gravidade, o Universo pode se auto-criar de acordo com o que sugere e prevê a Teoria-M – isso se essa unificação for possível e de acordo com o previsto, sendo ela um evento quântico.
Fica claro então, que a Relatividade de Einstein explica a evolução do Universo e não a sua origem, embora a gravidade seja a base para ambos. Para a Teoria-M, que pode surgir se algum dia houver a unificação das 4 leis do Universo, é uma proposta bastante interessante e complicada para se supor, embora seja sob o ponto de vista da física sustentado por Hawking de acordo com as leis.
A gravidade entra como um suporte de neutralização das diferentes forças que poderiam estabelecer a criação de infinitos universos com diferentes constantes e probabilidades baseada unicamente na proposta quântica, sugerindo que nosso Universo é somente um dentre tantos possíveis no mundo da complexa física quântica. Portanto, se a unificação for possível essa tese pode se tornar mais concreta com o tempo.
TEORIA-M
Teoria-M é uma teoria que unifica as cinco diferentes Teorias das cordas, mais a Supersimetria e a Supergravidade. Essa teoria diz que tudo, matéria e campo, é formada por membranas, e que o universo flui através de 11 dimensões. Teriamos então 3 dimensões espaciais (altura, largura, comprimento), 1 temporal (tempo) e 7 dimensões recurvadas, sendo a estas atribuídas outras propriedades, como massa e carga elétrica.
O Problema do Frenesi Quântico
Na mais absoluta profundidade da dimensão espacial, que aparentemente é plana e sem nenhuma ruptura, ocorrem os mais terríveis frenesis (turbulências) e isso impede uma conciliação amigável entre a Relatividade e a Mecânica Quântica. Como a Teoria Quântica até boa parte do século XX era de Campo, baseada em partículas puntiformes, a relatividade tornava-se difícil de ser incorporada a teorias microscópicas.
Contudo, um problema maior surgiu quando se tentou criar uma teoria quântica de campo gravitacional, pois, abaixo da Escala de Planck, o espaço tornava-se tão denso em termos de planitude que, a gravidade, recriada na teoria da Relatividade Geral, baseada na geometria Riemanniana, caía aos pedaços e todos nossos conhecimentos íam por água abaixo. Por muito tempo foi difícil haver uma percepção quântica da gravidade, devido principalmente ao espaço e seu frenesi e às particulas puntiformes. A teoria das Supercordas e a Teoria-M nos dão agora uma nova visão daquilo que um dia pensou-se ser impossível: a Unificação da Física. Teríamos assim um postulado único que explicaria tudo o que existe.
Análise Geral (Segunda Revolução das Cordas - 1995)
Inicialmente, o termo Teoria-M foi apresentado ao mundo numa palestra admirada, apresentada por Edward Witten em 1995, na chamada Segunda Revolução das Cordas. A teoria das cordas afirma que as menores unidades constituintes da matéria existente e das partículas elementares da natureza são minúsculas cordas vibratórias oscilantes feitas de energia, e que, variando a oscilação e vibração dessas, cria-se a matéria conhecida, em todos seus aspectos, incluindo as partículas componentes das forças fraca, forte, eletromagnética e a própria gravidade. Há ainda a inclusão das ondas, como exemplo a luz, que é constituida por fótons, as quais são, na verdade, em seu máximo interior formadas por minúsculas cordas. Tal característica da luz, de ser onda e partícula ao mesmo tempo, denomina-se dualidade onda-partícula.
Assim, várias equações descrevem as mais diversas características das cordas assim como seus padrões vibratórios, que produzem as partículas conhecidas por nós e outras ainda não observadas como o gráviton (partícula mensageira da força gravitacional). O grande problema encontrado antes da segunda revolução das cordas era de que as equações que descrevem a natureza física delas divergiam entre si, tendo, ao final, cinco diferentes versões da teoria chamadas: Teoria do Tipo I, Tipo II(A), Tipo II(B), Heterótica-O e Heterótica-E.
Uma característica importante das cordas é a chamada constante de acoplamento. Dessa forma, as cordas, que vêm aos pares devido ao frenesi microscópico da mecânica quântica, dividir-se-iam em duas (nas turbulentas dimensões recurvadas quânticas) e depois se acoplariam novamente formando uma única corda. Essa ideia levou os cientistas a formularem padrões que descrevem esse movimento. Por não conseguir determinar o valor da constante de acoplamento, problemas como entender a relação existente entre as cinco visões da teoria e o padrão vibratório da constante de acoplamento, e ainda, as diversas simetrias existentes na teoria, surgiam freqüentemente.
Quando o valor da constante era maior que 1, ficava difícil estabelecer uma resolução aos cálculos equacionários. O grande mérito de Witten foi perceber que a visão da teoria das cordas do Tipo I em relação à constante de acoplamento era inversamente proporcional à da Heterótica-O, assim como a do tipo II(A) era inversamente proporcional à da Heterótica-E e por sua vez a do Tipo II(B) era inversamente proporcional a si mesma. Assim, quando se tornava difícil calcular a constante por meio de uma versão da teoria, usava-se a outra e vice-versa.
Essa simetria foi essencial para o entendimento da teoria das cordas e a elaboração da Teoria-M. Há ainda um fato notável que se relaciona com a distância de um raio (R). Características como massa (m) e energia (E) de uma corda são determinadas pela vibração e oscilação dessa em um determinado espaço. Esse espaço (circular) que mede R reflete um fato importantíssimo quanto à visão da Teoria-M. Por exemplo: num espaço de tamanho R a corda vibra pouco e oscila muito, enquanto num espaço de tamanho 1/R (o inverso do raio inicial) a corda vibra muito e oscila pouco.
Dessa maneira se estabelece uma equivalência entre os raios, e, esta, produz uma mesma partícula com mesma massa e energia. Conclui-se que, as características físicas num universo de tamanho R são idênticas as de um universo de tamanho 1/R, mesmo que isso esteja abaixo da distância de Planck (distância que mede os eventos quânticos).
Devido a essa relação do raio, uma nova visão surge. A Teoria do Tipo II(A), ao mesmo tempo que se relaciona simetricamente à Heterótica-E, relaciona simetricamente (a respeito do raio) com a teoria II(B), e a teoria Heterótica-E relaciona-se com a Heterótica-O da mesma maneira.
Essa cadeia entre a Teoria do tipo I, Tipo II A e B, Heterótica O e E revelou, através do gênio incontestável de, talvez o maior cientista depois de Einstein (Witten), que há um padrão entre todas as teorias, e que todas elas são uma visão particular da mesma teoria. Chamada de Teoria-M. Um outro fator que define a teoria incorpora um fato notável: a supergravidade com onze dimensões. Posterior à ideia das cordas, os cientistas trabalhavam com a teoria quântica dos campos, a qual descrevia padrões às forças forte, fraca e eletromagnética, mas não descrevia para a gravidade. Essa teoria porém, não incorporava elementos como a Relatividade Geral de Einstein, e baseava-se na ideia de que tudo reduziria-se a um ponto (partículas puntiformes).
A partir dessa ideia, que descrevia a natureza quase por completo, já que a gravidade não era incorporada, houve um notável avanço na ideia da união entre a mecânica quântica e a relatividade geral, as grandes teorias físicas que explicam desde o macrocosmo (relatividade geral) até o microcosmo (mecânica quântica). A teoria das cordas conseguiu, unificar a supergravidade à sua ideia, e estabeleceu mais uma visão da mesma teoria, podendo dizer que temos seis visões diferentes da teoria-M.
As cordas, analisadas da maneira da teoria Heterótica-E, quando possuem um alto valor na constante de acoplamento (acima de 1) produz vibrações que ao invés de aumentar a intensidade da separação da corda e criar pares virtuais (partículas separadas aos pares), produz na verdade um aumento de dimensão na corda vibrante. Assim, surge uma nova dimensão, a décima dimensao espacial, e juntamente com a temporal totalizam-se onze dimensões. Esse fato, demonstrado por Witten na palestra de 1995, revelou ainda que esse aspecto dá a uma corda unidimensional um aspecto bidimensional, formando uma membrana.
Do mesmo modo como ocorre com a teoria Heterótica-E, ocorre uma nova dimensão na teoria II(A), com uma diferenciação no formato da décima dimensão. Essas evidências demonstraram que a Teoria-M unificaria as cinco teorias das cordas e, ainda, a supergravidade com onze dimensões, por meio de um sistema que produz membranas, caracteríistica intrínseca das cordas. O sonho da unificação da física, unir a Relatividade Geral de Albert Einstein com a Mecânica Quântica de Planck, Bohr, Bell, Feynman, Schrödinger, Heisenberg, John Von Neumann e tantos outros gênios, estaria nesse propósito, um mundo variante de cordas e membranas compondo tudo que o existe.
Nota: as cordas, ao variarem o valor da constante de acoplamento, são comumente chamadas de branas ou, em termos mais específicos, p-branas. As branas são objetos estendidos que surgem na teoria das cordas. Dessa forma uma 1-brana é uma corda, uma 2-brana é uma membrana, uma 3-brana possui três dimensões estendidas e assim sucessivamente. De forma geral, uma p-brana possui p dimensões. (Nota extraída de: O Universo Numa Casca de Noz, Stephen W. Hawking, Ed. ARX)
Teoria-M, a teoria de tudo?
Desde a formulação da teoria geral da relatividade de 1915, todo físico teórico tem sonhado em unir o conhecimento que temos dos minúsculos átomos com a enorme escala do cosmos. Enquanto o segundo é descrito com eficiência pelas equações de Einstein, o primeiro é previsto pelo modelo padrão de interações fundamentais.
O entendimento atual é que a interação entre objetos físicos é descrito por quatro forças fundamentais. Duas delas – gravidade e eletromagnetismo – são relevantes para nós em um nível macroscópico. Já as outras duas, chamadas interações fortes e fracas, atuam em uma escala muito pequena e são relevantes apenas quando lidamos com processos subatômicos.
O modelo padrão de interações fundamentais inclui três dessas forças, mas exclui a gravidade. Apesar de funcionar bem para explicar fenômenos em grande escala, como uma órbita de um planeta, a relatividade geral não funciona bem em pequenas distâncias. Neste modelo, todas as forças são mediadas por partículas específicas. Na gravidade, a partícula chamada gráviton faz esse serviço. Mas quando tentamos calcular como esses grávitons interagem, os resultados são infinitos.
Uma teoria da gravidade consistente deveria ser válida em qualquer escala, e também deveria levar em consideração a natureza quântica das partículas fundamentais. Isso colocaria a gravidade junto com as outras três interações fundamentais, resultando na tão sonhada teoria de tudo. Claro que desde a morte de Einstein em 1955 muito progresso foi feito, e hoje a melhor candidata para este papel é a Teoria-M.
Para entender a base da Teoria-M, temos que retornar à década de 1970, quando cientistas perceberam que ao invés de descrever o universo com base em partículas, poderíamos descrevê-lo com base em pequenas cordas que oscilam. Essas cordinhas são tubos de energia.
Este novo modo de pensar sobre a natureza resolveu muitos problemas teóricos. Acima de tudo, uma oscilação particular da corda poderia ser interpretada como um gráviton. E ao contrário da teoria da gravidade, a teoria das cordas pode descrever interações matematicamente sem resultados infinitos.
Depois da descoberta empolgante, físicos teóricos estudaram as consequências dessa ideia. A teoria das cordas, porém, tem seus altos e baixos. No início, ela trouxe confusão porque previa a existência de uma partícula que viaja mais rápido que a luz, chamada táquion. Essa previsão contrastava com todas as observações experimentais e trouxe sérias dúvidas em relação a teoria das cordas.
Mesmo assim, este problema foi resolvido no início da década de 1980 com a introdução de algo chamado de supersimetria. Isso prevê que toda partícula tem um superparceiro e, por coincidência enorme, a mesma condição que elimina o táquion. Essa solução foi chamada de primeira revolução das cordas.
Outra característica da teoria é que ela necessita de dez dimensões tempo-espaço. Até agora, conhecemos apenas quatro: profundidade, altura, largura e tempo. Apesar disso parecer um grande obstáculo, várias soluções foram propostas e atualmente isso é considerada um diferencial, não um problema.
Uma dessas possíveis soluções é que o nosso universo seria apenas um entre vários em um multiverso infinito, governado por diferentes leis da física. A outra solução propõe que essas dimensões seriam tão compactas que não somos capazes de senti-las.
Teoria-M
Mas há também um outro problema que estava incomodando os teóricos da época. Uma classificação cuidadosa mostrou a existência de cinco teorias da corda diferentes, e não ficou claro porque a natureza escolheria uma entre as cinco.
É aí que a Teoria-M entra em jogo. Durante a segunda revolução das cordas, em 1995, físicos propuseram que cinco teorias das cordas diferentes seriam na verdade apenas faces diferentes de uma teoria única que existe em 11 dimensões tempo-espaço, chamada de Teoria-M. Isso tem levado físicos teóricos a acreditar que a Teoria-M seja a teoria de tudo.
Mesmo assim, a Teoria-M tem encontrado dificuldades em produzir previsões que podem ser testadas em experimentos. A supersimetria está passando por testes no Grande Colisor de Hadron (fonteira franco-suíça). Se evidências de super-parceiros forem encontradas, a teoria será fortalecida.
A maior parte dos físicos e cosmólogos são movidos pela vontade de encontrar uma descrição simples do universo que pode explicar tudo. Ainda não chegamos lá, mas não teríamos uma chance sem mentes brilhantes como a de Stephen Hawking. [The Conversation]
Por que a Teoria — M é a principal candidata
à teoria de tudo? (Atualidade)
A mãe de todas as teorias de cordas passa por um teste decisivo que, até agora, nenhuma outra teoria candidata da gravidade quântica conseguiu combinar.
A teoria — M unifica em uma única estrutura matemática todas as cinco versões consistentes da teoria das cordas (bem como uma descrição de partícula chamada supergravidade). Parece que cada uma dessas teorias em diferentes regimes físicos.
Não é fácil ser uma “theory of everything.” Uma TOE tem o trabalho muito difícil de ajustar a gravidade nas leis quânticas da natureza de tal forma que, em grandes escalas, a gravidade se parece com curvas no tecido do espaço-tempo, como Albert Einstein descreveu em sua teoria geral da relatividade. De alguma forma, a curvatura espaço-temporal emerge como o efeito coletivo das unidades quantizadas de energia gravitacional — partículas conhecidas como gravitons. Mas as tentativas ingênuas de calcular como os gravitons interagem resultam em infinitos sem sentido, indicando a necessidade de uma compreensão mais profunda da gravidade.
A teoria das cordas (ou, mais tecnicamente, a teoria-M) é muitas vezes descrita como a principal candidata para a teoria de tudo em nosso universo. Mas não há evidências empíricas para isso, ou para quaisquer ideias alternativas sobre como a gravidade pode se unificar com o resto das forças fundamentais. Por que, então, é a teoria das cordas/ teoria-M dada a vantagem sobre as outras?
A teoria afirma que os gravitons, os elétrons, os fótons e todo o resto, não são partículas pontuais, mas sim fitas imperceptivelmente pequenas de energia, ou “cordas”, que vibram de diferentes maneiras. O interesse pela teoria das cordas aumentou em meados da década de 1980, quando os físicos perceberam que forneceu descrições matematicamente consistentes da gravidade quantizada. Mas as cinco versões conhecidas da teoria das cordas eram todas “perturbativas”, o que significa que elas derrubaram alguns regimes. Os teóricos poderiam calcular o que acontece quando duas cordas de graviton colidem em altas energias, mas não quando existe uma confluência de gravitons extremos o suficiente para formar um buraco negro.
Então, em 1995, o físico Edward Witten descobriu a mãe de todas as teorias de cordas. Ele encontrou várias indicações de que as teorias perturbativas de cordas se encaixam em uma teoria não perturbativa coerente, que ele chamou de teoria-M. A teoria-M se parece com cada uma das teorias de cordas em diferentes contextos físicos, mas não possui limites para o seu regime de validade — um requisito importante para a teoria de tudo. Ou então, os cálculos de Witten sugeriram. “Witten poderia fazer esses argumentos sem escrever as equações da teoria-M, o que é impressionante, mas deixou muitas perguntas sem resposta”, explicou David Simmons-Duffin , físico teórico do Instituto de Tecnologia da California.
Outra explosão de pesquisa aconteceu dois anos depois, quando o físico Juan Maldacena descobriu a correspondência AdS / CFT: uma relação semelhante ao holograma que liga a gravidade em uma região do espaço-tempo chamada espaço anti-Sitter (AdS) para uma descrição quântica das partículas (chamada “teoria de campo conforme”) movendo-se no limite da região. O AdS / CFT fornece uma definição completa de teoria-M para o caso especial das geometrias espaço-tempo do AdS, que são infundidas com energia negativa que os torna dobrados de maneira diferente do que o nosso universo faz. Para esses mundos imaginários, os físicos podem descrever processos em todas as energias, incluindo, em princípio, formação de buracos negros e evaporação. Os 16.000 trabalhos que citaram Maldacena nos últimos 20 anos visam principalmente a realização desses cálculos, a fim de obter uma melhor compreensão do AdS / CFT e da gravidade quântica.
Esta sequência básica de eventos levou a maioria dos especialistas a considerar a teoria-M como a principal candidata a teoria de tudo, mesmo que sua definição exata em um universo como o nosso permaneça desconhecida. Se a teoria está correta é uma questão completamente separada. As cordas que ele coloca — bem como as dimensões espaciais extra, enroladas, que essas cordas supostamente suavizam — são 10 milhões de bilhões de vezes menores do que experimentos como o Large Hadron Collider podem resolver. E algumas assinaturas macroscópicas da teoria que poderiam ter sido vista, como cordas cósmicas e supersimetria, não apareceram.
Outras idéias da teoria de tudo, enquanto isso, são vistas como tendo uma variedade de problemas técnicos, e nenhuma ainda repetiu as demonstrações de consistência matemática da teoria de cordas, como o cálculo da dispersão graviton-graviton. (De acordo com Simmons-Duffin, nenhum dos concorrentes conseguiu completar o primeiro passo ou a primeira “correção quântica” desse cálculo.) Um filósofo já argumentou que o status da teoria das cordas como a única e consistente teoria conta como evidência de que A teoria está correta .
As concorrentes distantes incluem gravidade assintoticamente segura , teoria E8 , geometria não comutativa e sistemas de fermion causais . A gravidade assintoticamente segura, por exemplo, sugere que a força da gravidade pode mudar à medida que você vai para escalas menores, de maneira a corrigir os cálculos anômalos. Mas ninguém ainda conseguiu o truque para o trabalho.