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O que é a Teoria das Cordas?


- Artigo atualizado no dia 22 de maio de 2018 -

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         A Teoria das Cordas é uma forma diferenciada de descrever a natureza do Universo, onde partículas pontuais e adimensionais previstas pela mecânica quântica seriam substituídas por objetos unidimensionais chamados de 'cordas'. Essas cordas permeariam todo o Universo e suas vibrações específicas, junto com suas interações com outras dessas cordas, produziriam os efeitos macroscópicos e microscópicos que testemunhamos no dia-a-dia, de forma consistente com a teoria quântica e a teoria relativística.

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   UNIVERSO MUSICAL

        Na Física tradicional (Standard Model), o Universo detectável é feito de partículas pontuais como quarks, fótons e léptons, as quais podem interagir entre si para produzirem outras partículas como os elétrons, prótons e nêutrons, ou servirem de meio para a manifestação das forças gravitacionais, eletromagnéticas, fortes e fracas. Só que esse modelo não consegue explicar comportamentos em escalas tão pequenas quanto 10-32 cm, especialmente quando os efeitos da Relatividade Geral são levados em conta, e sendo experimentalmente acurado apenas até 10-16 cm.  De fato, a formulação de uma teoria quântica da gravidade é um dos maiores desafios enfrentados pelos Físicos Teóricos. Nesse ponto, os sistemas matemáticos propostos pela Teoria das Cordas podem ser capazes de explicar todos os fenômenos físicos sem limitações de escalas.




         De acordo com a teoria das cordas, as partículas da Física tradicional seriam apenas a manifestação de um simples objeto: uma corda. Um elétron, por exemplo, como um ponto no espaço, não pode fazer nada a não ser se mover. Porém, se a teoria das cordas estiver correta, se víssemos o elétron sob um "microscópico" extremamente poderoso nós perceberíamos que o elétron não é um ponto, mas um pequeno laço de corda. Uma corda pode fazer algo além de se mover: ela pode oscilar de diferentes formas. Se ela é oscilada de um jeito, então, de uma certa distância, nós veremos um elétron; se oscila de outra forma, nós veremos um fóton; e assim por diante. As cordas previstas por essa teoria matemática podem ser comparadas - para simplificar - com as cordas de um violão. Dependendo de como são tensionadas e tocadas, vibrações diferenciadas irão surgir e produzirão diferentes notas musicais. Pense nessas notas como as forças e partículas elementares que observamos ao nosso redor, quando substituímos essas cordas de violão pelas cordas unidimensionais propostas pela teoria.


         Aplicando a matemática vibracional dessas cordas unidimensionais, até mesmo a gravidade pode ser prevista em qualquer escala, algo ainda não possível com a teoria quântica. Além disso, poderíamos derivar - até certa extensão - o Standard Model a partir da teoria das cordas. Aliás, nesse modelo seria possível também alcançar um feito que o Einstein perseguiu durante todo o resto da sua vida: uma teoria que conseguisse unir a força gravitacional com a eletromagnética, criando uma 'Teoria de Tudo'. Nela, tudo poderia ser explicado e previsto com uma única formulação  matemática, algo ainda impossível de ser realizado, especialmente pelo fato de existirem partículas fundamentais demais e lacunas particulares, além das aparentes discrepâncias entre certos efeitos relativísticos e efeitos quânticos.

         E quando você substitui essas partículas unidimensionais pelas cordas, diversos fenômenos estranhos surgem. O principal deles é a necessidade da criação de 10 ou mais dimensões, as quais incluiriam as quatro conhecidas por nós (espaço-tempo). Mas as outras dimensões não seriam facilmente observáveis por estarem em uma escala longe do nosso alcance de interação laboratorial. Na prática, continuaríamos tendo apenas o espaço e tempo com relativo grau de importância no mundo macroscópico.

         No entanto, até o momento, não temos evidência experimental direta se a teoria das cordas é o modo correto de descrever a Natureza, apesar do seu abstratismo matemático fazer sentido e entrar em concordância com diversas observações astronômicas e com outras teorias bem estabelecidas. É comum o questionamento sobre a validade da teoria das cordas em ser uma real 'teoria' no sentido experimental, mas os Físicos Teóricos a validam como uma teoria no sentido dela ser uma 'teoria matemática' bem eficiente em descrever fenômenos diversos.

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   HISTÓRIA

         A Teoria das Cordas foi inicialmente desenvolvida na década de 1960, por teóricos tentando entender as partículas hadrônicas e mesônicas, as quais tinham sido descobertas naquela época. A teoria teve certo sucesso, ao explicar, por exemplo, o modo como partículas seguiam as assim chamadas 'trajetórias de Regge', mas foi logo substituída na década de 1970 por uma muito mais poderosa teoria chamada de 'Cromodinâmicas Quânticas' (QCD).

         A teoria das cordas inicial tinha grandes problemas, em especial:

- Continha partículas de massa imaginárias (táquions) que entravam em conflito com a teoria quântica;

- A cordas fechadas (loops) continham duas partículas sem massa com spin que não eram observadas experimentalmente;

- E, por último, a teoria era inconsistente exceto se o número de dimensões espaço-tempo fosse 26.

         O nascimento da teoria das cordas como uma "Teoria do Tudo" só surgiu quando foi sugerido que ela não era uma teoria de hádrons e mésons, mas, sim, uma teoria fundamental, com as duas partículas sem massa com spin identificadas mais tarde como o gráviton - uma partícula conjecturada responsável por carregar a força gravitacional (1).
         Nesse caminho, a "primeira revolução" na teoria das cordas ocorreu no início da década de 1980, quando os Físicos Michael Green e John Schwarz descobriram cordas supersimétricas, ou supercordas. Supercordas não tinham táquions e eram consistentes com a teoria quântica. Mais para frente, os dois cientistas previram um "grupo calibrador" (gauge group) para as forças fundamentais, estas as quais tinham limites naturais de baixa energia como os supergravities, ou teorias quânticas supersimétricas vivendo em 10 dimensões espaço-tempo. Pouco tempo depois, novas cordas 'heteróticas' foram descobertas, levando a um total de cinco teorias das supercordas, nomeadas de I, IIA, IIB, HE e HO.

        Uma "segunda revolução" ocorreu ao redor de 1995, com os trabalhos os Físicos Chris Hull, Paul Towsend e Edward Witten. Simetrias de "dualidade" entre as diferentes teorias das cordas foram encontradas, o que levou à proposta de que as cinco teorias conhecidas são diferentes pontos relativos de uma única teoria fundamental, chamada de 'Teoria M', cujo limite de baixa energia é a supergravidade de 11 dimensões. Além disso, os objetos fundamentais na teoria das cordas e na teoria M revelaram incluir superfícies dimensionais superiores chamadas 'branes' além das cordas. O estudo desses componentes levaram a grandes progressos em várias áreas na última década.
       

         Avanços computacionais e dados gerados em aceleradores de partículas continuaram dando maiores bases matemáticas e experimentais para a teoria das cordas e suas ramificações, tornando-a hoje um dos campos mais promissores da Física. Atualmente, muito dessa teoria usa o conceito de holografia, onde qualquer teoria da gravidade pode ser descrita por uma teoria sem gravidade em uma dimensão a menos. Em outras palavras, o Universo seria um grande e complexo holograma: realidades físicas em certos espaços tridimensionais podem ser matematicamente reduzidos a projeções bidimensionais sobre uma superfície. A holografia relaciona a teoria quântica da gravidade com uma teoria física ordinária particular sem gravidade, fornecendo uma importante ferramenta para se entender os buracos negros e outros fenômenos cosmológicos.

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   TEORIA DE TUDO E STEPHEN HAWKING

         Pouco meses antes de morrer, o grande e internacionalmente famoso Físico Stephen Hawking (1942-2018) submeteu uma proposta de teoria no Journal of High Energy Physics (Ref.9). O trabalho, realizado em colaboração com o professor Thomas Hertog, do KU Leuven, é baseado na teoria das cordas e prediz que o Universo é finito - em oposição ao atual consenso Astronômico de que ele é infinito e plano (1) - e muito mais simples do que as atuais teorias sobre o Big Bang preveem.
        Teorias modernas relativas ao Big Bang inferem que o nosso Universo local veio a existir a partir de uma breve explosão de inflação, ou seja, em uma pequena fração de um segundo após o Big Bang o Universo se expandiu à uma taxa exponencial. No entanto, é amplamente defendido que uma vez que a inflação começou, existiram regiões onde esse processo nunca parou. Acredita-se que efeitos quânticos podem manter a inflação prosseguindo para sempre em algumas regiões do Universo de modo que, globalmente, a inflação é eterna. As partes observáveis do nosso Universo seriam então apenas uma bolha onde a inflaçõa parou e estrelas e galáxias puderam se formar.


         No novo estudo, Hawking e Hertog afirmam que a inflação eterna como uma teoria do Big Bang está errada. Segundo os autores, o problema com essa teoria é que ela assume a existência de um Universo de pano de fundo que evolui de acordo com a teoria da Relatividade Geral e trata os efeitos quânticos como pequenas flutuações ao redor desse processo. No entanto, as dinâmicas da inflação eterna removem a separação entre física clássica e física quântica e, consequentemente, a Relatividade Geral desmorona. Para resolver isso, os autores propõem que o nosso Universo, nas maiores escalas, é razoavelmente liso e globalmente finito, não uma estrutura fractal.

        Com base na teoria das cordas, Hawking e Hertog desenvolveram uma variação do conceito de holografia para projetar a dimensão do tempo na inflação eterna. Isso possibilitou descrever a inflação enterna sem a necessidade de dependência em relação à Relatividade Geral. Na nova teoria proposta pelo estudo, a inflação eterna é reduzida a um estado atemporal definido sobre uma superfície espacial no começo do tempo. Nesse sentido, se traçarmos a evolução do nosso Universo de volta ao tempo, em algum ponto nós chegamos ao limite da inflação eterna, onde nossa noção familiar de tempo cessa e se torna sem sentido.


      Trabalhos futuros serão realizados para refutar ou corroborar a nova teoria proposta.




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Artigo complementar: Não existe gravidade no Espaço?


REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC33894/
  2. http://imagine.gsfc.nasa.gov/science/questions/superstring.html 
  3. http://www.nuclecu.unam.mx/~alberto/physics/string.html
  4. http://ctp.lns.mit.edu/research-strings.html
  5. http://www.superstringtheory.com/
  6. http://strings.ph.qmul.ac.uk/engagement/brief-history-string-theory
  7. https://www.southampton.ac.uk/maths/research/groups/string-theory.page
  8. https://www.cam.ac.uk/research/news/taming-the-multiverse-stephen-hawkings-final-theory-about-the-big-bang
  9. https://link.springer.com/article/10.1007%2FJHEP04%282018%29147
  10. http://www.nuclecu.unam.mx/~alberto/physics/string.html
  11. http://www.damtp.cam.ac.uk/user/tong/string/string.pdf