Teoria das supercordas, em linguagem popular, representa o universo como uma coleção de fios vibrantes de energia - cordas. Eles são a base da natureza. A hipótese também descreve outros elementos - branas. Toda a matéria em nosso mundo é composta de vibrações de cordas e branas. Uma consequência natural da teoria é a descrição da gravidade. É por isso que os cientistas acreditam que ela é a chave para unificar a gravidade com outras forças.
Conceito evoluindo
A teoria do campo unificado, teoria das supercordas, é puramente matemática. Como todos os conceitos físicos, é baseado em equações que podem ser interpretadas de certas maneiras.
Hoje ninguém sabe exatamente qual será a versão final dessa teoria. Os cientistas têm uma ideia bastante vaga de seus elementos gerais, mas ninguém ainda apresentou uma equação definitiva que cubra todas as teorias das supercordas e, experimentalmente, ainda não foi capaz de confirmá-la (embora também não a refute). Os físicos criaram versões simplificadas da equação, mas até agora ela não descreve bem nosso universo.
Teoria das Supercordas para Iniciantes
A hipótese é baseada em cinco ideias-chave.
- A teoria das supercordas prevê que todos os objetos em nosso mundo são feitos de filamentos vibrantes e membranas de energia.
- Ela tenta combinar a relatividade geral (gravidade) com a física quântica.
- A teoria das supercordas unificará todas as forças fundamentais do universo.
- Esta hipótese prevê uma nova conexão, supersimetria, entre dois tipos fundamentalmente diferentes de partículas, bósons e férmions.
- O conceito descreve uma série de dimensões adicionais, geralmente não observáveis do Universo.
Cordas e branas
Quando a teoria surgiu na década de 1970, os fios de energia nela eram considerados objetos unidimensionais - cordas. A palavra "unidimensional" significa que a string tem apenas 1 dimensão, o comprimento, ao contrário, por exemplo, de um quadrado, que tem comprimento e altura.
A teoria divide essas supercordas em dois tipos - fechadas e abertas. Uma corda aberta tem extremidades que não se tocam, enquanto uma corda fechada é um laço sem extremidades abertas. Como resultado, verificou-se que essas strings, denominadas strings do primeiro tipo, estão sujeitas a 5 tipos principais de interações.
As interações são baseadas na capacidade de uma string de conectar e separar suas extremidades. Como as extremidades das cordas abertas podem se combinar para formar cordas fechadas, é impossível construir uma teoria de supercordas que não inclua cordas em loop.
Isso acabou sendo importante, pois cordas fechadas têm propriedades, acreditam os físicos, que podem descrever a gravidade. Em outras palavras, os cientistaspercebeu que a teoria das supercordas, em vez de explicar as partículas da matéria, pode descrever seu comportamento e gravidade.
Depois de muitos anos, descobriu-se que, além das cordas, outros elementos são necessários para a teoria. Eles podem ser pensados como folhas ou branas. As cordas podem ser anexadas a um lado ou ambos os lados.
Gravidade quântica
A física moderna tem duas leis científicas principais: a relatividade geral (GR) e a quântica. Eles representam campos completamente diferentes da ciência. A física quântica estuda as menores partículas naturais, e a GR, via de regra, descreve a natureza na escala de planetas, galáxias e o universo como um todo. As hipóteses que tentam unificá-los são chamadas de teorias da gravidade quântica. O mais promissor deles hoje é o string.
As roscas fechadas correspondem ao comportamento da gravidade. Em particular, eles têm as propriedades de um gráviton, uma partícula que carrega gravidade entre objetos.
Unindo Forças
A teoria das cordas tenta combinar as quatro forças - eletromagnética, nuclear forte e fraca e gravidade - em uma. Em nosso mundo, eles se manifestam como quatro fenômenos diferentes, mas os teóricos das cordas acreditam que no universo primitivo, quando havia níveis incrivelmente altos de energia, todas essas forças são descritas por cordas interagindo umas com as outras.
Supersimetria
Todas as partículas do universo podem ser divididas em dois tipos: bósons e férmions. Teoria das cordasprevê que existe uma relação entre eles, chamada supersimetria. Na supersimetria, deve haver um férmion para cada bóson e um bóson para cada férmion. Infelizmente, a existência de tais partículas não foi confirmada experimentalmente.
Supersimetria é uma relação matemática entre elementos de equações físicas. Foi descoberto em outra área da física, e sua aplicação levou à renomeação da teoria das cordas supersimétricas (ou teoria das supercordas, no jargão popular) em meados da década de 1970.
Um dos benefícios da supersimetria é que ela simplifica bastante as equações, permitindo que algumas variáveis sejam eliminadas. Sem supersimetria, as equações levam a contradições físicas como valores infinitos e níveis de energia imaginários.
Como os cientistas não observaram as partículas previstas pela supersimetria, ainda é uma hipótese. Muitos físicos acreditam que a razão para isso é a necessidade de uma quantidade significativa de energia, que está relacionada à massa pela famosa equação de Einstein E=mc2. Essas partículas podem ter existido no início do universo, mas à medida que esfriou e a energia se espalhou após o Big Bang, essas partículas se moveram para níveis de baixa energia.
Em outras palavras, as cordas que vibravam como partículas de alta energia perderam sua energia, transformando-as em elementos de menor vibração.
Os cientistas esperam que observações astronômicas ou experimentos com aceleradores de partículas confirmem a teoria, revelando alguns dos elementos supersimétricos com maiorenergia.
Medidas adicionais
Outra consequência matemática da teoria das cordas é que ela faz sentido em um mundo com mais de três dimensões. Existem atualmente duas explicações para isso:
- As dimensões extras (seis delas) entraram em colapso, ou, na terminologia da teoria das cordas, compactadas em tamanhos incrivelmente pequenos que nunca serão percebidos.
- Estamos presos na brana 3D, e as outras dimensões se estendem além dela e são inacessíveis para nós.
Uma importante linha de pesquisa entre os teóricos é a modelagem matemática de como essas coordenadas extras podem estar relacionadas às nossas. Os resultados mais recentes prevêem que os cientistas em breve poderão detectar essas dimensões extras (se existirem) em experimentos futuros, pois podem ser maiores do que o esperado anteriormente.
Compreendendo o propósito
O objetivo que os cientistas buscam ao explorar as supercordas é uma "teoria de tudo", ou seja, uma única hipótese física que descreve toda a realidade física em um nível fundamental. Se for bem-sucedido, poderá esclarecer muitas questões sobre a estrutura do nosso universo.
Explicação da matéria e massa
Uma das principais tarefas da pesquisa moderna é encontrar soluções para partículas reais.
A teoria das cordas começou como um conceito que descreve partículas como os hádrons em vários estados vibracionais mais elevados de uma corda. Na maioria das formulações modernas, a matéria observada em nossouniverso, é o resultado de vibrações de cordas e branas com a menor energia. Vibrações mais altas geram partículas de alta energia que atualmente não existem em nosso mundo.
A massa dessas partículas elementares é uma manifestação de como cordas e branas são envolvidas em dimensões extras compactadas. Por exemplo, em um caso simplificado em que eles são dobrados em forma de rosquinha, chamados de toro por matemáticos e físicos, uma string pode envolver essa forma de duas maneiras:
- curto loop no meio do toro;
- uma longa volta ao redor de toda a circunferência externa do toro.
Um laço curto será uma partícula leve, e um laço grande será uma partícula pesada. Enrolar cordas em dimensões toroidais compactadas produz novos elementos com massas diferentes.
A teoria das supercordas explica de forma concisa e clara, simples e elegante a transição do comprimento para a massa. As dimensões dobradas aqui são muito mais complicadas do que o toro, mas em princípio funcionam da mesma maneira.
É até possível, embora difícil de imaginar, que a corda enrole o toro em duas direções ao mesmo tempo, resultando em uma partícula diferente com uma massa diferente. Branes também podem envolver dimensões extras, criando ainda mais possibilidades.
Determinando o espaço e o tempo
Em muitas versões da teoria das supercordas, as dimensões colapsam, tornando-as inobserváveis no atual nível de desenvolvimento tecnológico.
Atualmente não está claro se a teoria das cordas pode explicar a natureza fundamental do espaço e do tempomais do que Einstein. Nela, as medidas são o pano de fundo para a interação das cordas e não têm nenhum significado real independente.
Explicações foram oferecidas, não totalmente desenvolvidas, sobre a representação do espaço-tempo como uma derivada da soma total de todas as interações de strings.
Esta abordagem não vai ao encontro das ideias de alguns físicos, o que levou a críticas à hipótese. A teoria competitiva da gravidade quântica em loop usa a quantização do espaço e do tempo como ponto de partida. Alguns acreditam que acabará sendo apenas uma abordagem diferente para a mesma hipótese básica.
Quantização da gravidade
A principal conquista desta hipótese, se confirmada, será a teoria quântica da gravidade. A descrição atual da gravidade na relatividade geral é inconsistente com a física quântica. Este último, ao impor restrições ao comportamento de pequenas partículas, leva a contradições ao tentar explorar o Universo em escala extremamente pequena.
Unificação de forças
Atualmente, os físicos conhecem quatro forças fundamentais: gravidade, eletromagnética, interações nucleares fracas e fortes. Segue-se da teoria das cordas que todos eles já foram manifestações de um.
De acordo com essa hipótese, desde que o universo primitivo esfriou após o big bang, essa única interação começou a se dividir em diferentes interações que estão ativas hoje.
Experiências de alta energia nos permitirão um dia descobrir a unificação dessas forças, embora tais experimentos estejam muito além do desenvolvimento atual da tecnologia.
Cinco opções
Após a revolução das supercordas em 1984, o desenvolvimento foi realizado em um ritmo febril. Como resultado, em vez de um conceito, havia cinco, denominados tipos I, IIA, IIB, HO, HE, cada um dos quais descrevendo quase completamente nosso mundo, mas não completamente.
Físicos, vasculhando as versões da teoria das cordas na esperança de encontrar uma fórmula universal verdadeira, criaram 5 versões autossuficientes diferentes. Algumas de suas propriedades refletiam a realidade física do mundo, outras não correspondiam à realidade.
teoria-M
Em uma conferência em 1995, o físico Edward Witten propôs uma solução ousada para o problema de cinco hipóteses. Com base na dualidade recém-descoberta, todos eles se tornaram casos especiais de um único conceito abrangente, chamado de teoria M das supercordas de Witten. Um de seus conceitos-chave foi branas (abreviação de membrana), objetos fundamentais com mais de 1 dimensão. Embora o autor não tenha oferecido uma versão completa, que ainda não está disponível, a teoria M das supercordas consiste resumidamente nas seguintes características:
- 11-dimensão (10 dimensões espaciais mais 1 dimensão temporal);
- dualidades que levam a cinco teorias explicando a mesma realidade física;
- branes são strings com mais de 1 dimensão.
Consequências
Como resultado, em vez de uma, havia 10500 soluções. Para alguns físicos, isso causou uma crise, enquanto outros aceitavam o princípio antrópico, que explica as propriedades do universo pela nossa presença nele. Resta saber quando os teóricos encontrarão outraforma de orientação na teoria das supercordas.
Algumas interpretações sugerem que nosso mundo não é o único. As versões mais radicais permitem a existência de um número infinito de universos, alguns dos quais contêm cópias exatas do nosso.
A teoria de Einstein prevê a existência de um espaço espiralado, que é chamado de buraco de minhoca ou ponte Einstein-Rosen. Nesse caso, dois locais distantes são conectados por uma curta passagem. A teoria das supercordas permite não apenas isso, mas também a conexão de pontos distantes de mundos paralelos. É até possível fazer a transição entre universos com diferentes leis da física. No entanto, é provável que a teoria quântica da gravidade torne sua existência impossível.
Muitos físicos acreditam que o princípio holográfico, quando todas as informações contidas no volume do espaço correspondem às informações registradas em sua superfície, permitirá uma compreensão mais profunda do conceito de fios de energia.
Alguns acreditam que a teoria das supercordas permite múltiplas dimensões de tempo, o que pode resultar em viagens através delas.
Além disso, no quadro da hipótese, existe uma alternativa ao modelo do big bang, segundo o qual nosso universo surgiu como resultado da colisão de duas branas e passa por repetidos ciclos de criação e destruição.
O destino final do universo sempre ocupou os físicos, e a versão final da teoria das cordas ajudará a determinar a densidade da matéria e a constante cosmológica. Conhecendo esses valores, os cosmólogos podem determinar se o universoencolha até explodir para começar tudo de novo.
Ninguém sabe onde uma teoria científica pode levar até que seja desenvolvida e testada. Einstein, escrevendo a equação E=mc2, não esperava que isso levasse ao aparecimento de armas nucleares. Os criadores da física quântica não sabiam que ela se tornaria a base para a criação de um laser e um transistor. E embora ainda não se saiba a que tal conceito puramente teórico levará, a história mostra que algo notável certamente acontecerá.
Para saber mais sobre essa conjectura, veja a Teoria das Supercordas para Leigos de Andrew Zimmerman.
