Teoria das Cordas

O Mundo Bizarro das SUPERCORDAS

Imagine um universo onde, no lugar das 3 habituais dimensões espaciais que conhecemos, existam 10, 11, talvez 12 dimensões. E tudo o que existe neste universo - partículas, energia, forças, tudo - seja formado por pequenas cordas vibrantes. Parece ficção? Bem, este é como se parece o mundo descrito pela teoria das SuperCordas (superstrings), que se autoproclama a "Theory of Everything" (TOE).

Partícula	Massa*	Carga**
Elétron	0,054	-1
Elétron Neutrino	<10^-8	0
Up Quark	0,047	2/3
Down Quark	0,074	-1/3
Muon	0.11	-1
Muon Neutrino	<0,0003	0
Charm Quark	1,6	2/3
Strange Quark	0,16	-1/3
Tau	1,9	-1
Tau Neutrino	< 0,033	0
Top Quark	189	2/3
Bottom Quark	5,2	-1/3
Força	Partícula	Massa*
Forte	Gluon	0
Eletromagnética	Fóton	0
Fraca	Bosons	86, 97
Gravidade	Graviton***	0***
* múltiplo da massa do próton carga elétrica *nunca foi observada

De onde vêm as 4 forças que conhecemos? De onde vêm as partículas que detectamos? Por que as partículas tem carga? Qual é a natureza do espaço-tempo e gravidade?
Nenhuma teoria conseguiu, ainda, encontrar respostas satisfatórias para todas estas perguntas. Está surgindo, entretanto, uma nova forma de olhar para o universo: a teoria das supercordas não só encontra uma elegante resposta unificada, para todas as perguntas acima, como também nos apresenta um mundo muito diferente do qual pensamos viver. O Portal de Estudos em Química traz para você um resumo desta teoria, seus pontos fortes e fracos, e a opinião de alguns sérios cientistas sobre o assunto.

De acordo com a teoria das SuperStrings os ingredientes do universo não são partículas pontuais - tal como aprendemos na escola. Ao contrário, os ingredientes são finos e minúsculos filamentos, que vibram de acordo com sua energia. Estas cordas podem ser abertas ou fechadas (tal como uma borracha de dinheiro). Todas as partículas fundamentais são, na verdade, formadas por filamento(s) que vibram; de acordo com o modo de vibração das cordas, surgem suas propriedades (massa, energia, carga, etc.). Estas cordas são tão pequenas (na escala do comprimento de Plank - 10^-33cm - e extremamente rígidas: uma tensão de 10³⁹ toneladas. Vistas com os instrumentos hoje disponíveis, estas cordas pareceriam pontos. Os diferentes padrões vibracionais das cordas dão origem a diferentes massas e diferentes cargas.

Outras dimensões:

Em 1919, um desconhecido matemático polonês, Theodor Kaluza, teve a coragem de desafiar o óbvio - sugeriu que o universo pode não ter, na verdade, somente 3 dimensões espaciais; pode ter mais! Quando, em abril de 1919, enviou seu artigo, recebeu um não do editor, A. Einstein: "At first glance, I like your idea enormously;(...). I have read through your paper and find it really interesting. (...) On the other hand, I have to admit the arguments do not appear convincing enough: . Mas, em outubro do mesmo ano, Einstein mandou outra carta, autorizando a publicação do artigo.

QMCWEBperguntou
No exemplar 11, perguntamos:
"Quantas dimensões tem o nosso universo? "
68 % = 3 dimensões
25 % = 4 dimensões
7% outros (zero, infinitas, ...)

A teoria das Supercordas clama a existência de mais dimensões- algo entre 10 a 12.
Estas dimensões são curvas e muito pequenas (próximas ao comprimento de Plank) que não as detectamos em nosso nível macroscópico. Dentre todas as dimensões existentes, apenas 4 (o tempo e 3 dimensões espaciais), se expandiram após o Big Bang.
->dimensões curvas? Pense num ponto. Por definição, ele não tem nenhuma dimensão. Se esticarmos este ponto, ele se torna uma linha, com uma dimensão (comprimento). Se aumentarmos a espessura da linha, ela ganha uma nova dimensão - uma dimensão curva, circular. Se quisermos definir a posição de um ponto sobre a linha, precisamos definir sua posição em relação ao comprimento da linha e à sua espessura. Segundo a teoria das supercordas, além das familiares 3 dimensões - largura, comprimento, e altura (x,y,z), o espaço tem mais várias dimensões, todas curvas; a forma deste "amontuado" de dimensões curvas é conhecida como "Calabi-Yau space", em homenagem a dois matemáticos, Eugenio Calabi e Shing-Tung Yau, que, em 1957 e 77, respectivamente, que fizeram descrições matemáticas de espaços multi-dimensionais.
Em suma, quando movemos nossa mão da esquerda para a direita estamos percorrendo, não só uma, mas várias dimensões ao mesmo tempo. Estamos ciente de uma delas; as outras são tão microscópicas que nem o mais potente microscópio pode detectar.

Os conflitos na unificação

Buscando a Theory of Everything
Nascem vários problemas quando se tenta combinar a Teoria Geral da Relatividade com a Teoria de Campo Quântica. O primeiro é o surgimento de infinidades nos cálculos quânticos - coisas como probabilidades infinitas ou negativas. Se trocarmos as partículas pontuais por cordas vibrantes, o problema desaparece.
Outro está relacionado ao "tecido" do espaço-tempo. De acordo com a teoria geral da relatividade, o espaço-tempo é, na ausência de um corpo com massa, liso e uniforme. Mas, na teoria quântica, uma olhada mais de perto (na escala do comprimento de Planck) o espaço-tempo se mostraria como um mar rebelde, devido ao "frenesi" quântico - lembra do experimento da partícula na caixa? (John Wheller utilizou o termo "espuma quântica" para definir o universo observado ultramicroscopicamente). Em suma, a noção de uma geometria espacial lisa e uniforme, o princípio central da relatividade geral, é destruída pelas violentas flutuações do mundo quântico em escalas menores. Em outras palavras, ocorre um conflito entre o Princípio da Incerteza de Heisenberg e o Espaço-Tempo de Einstein.

Pontos x Ondas

De acordo com a mecânica quântica, uma partícula e uma antipartícula podem, momentaneamente, aniquilar uma à outra, produzindo um fóton. O lugar da interação é fixo e imutável: independe da posição ou movimento do observador.

Duas cordas podem se colidir e emergir numa terceira corda. Neste caso, o local exato da interação depende da posição e velocidade do observador.

Realidade ou Abstração Matemática?

Embora não exista qualquer evidência experimental que sustente a teoria das supercordas, milhares de artigos científicos já foram publicados. Centenas de pesquisadores, no mundo inteiro, utilizam o dinheiro público para pesquisar surpercordas. Seria o nosso universo tão fantástico e bizarro quanto o descrito pelas supercordas? Ou tudo não passa de abstrações matemáticas, sem correlações com o mundo real? Vejamos o que pesquisadores de renome tem a dizer:

Sheldon Glashow (ganhador do prêmio Nobel da Física): "The theory depends for its existence upon magical coincidences, miracolous cancellations and relations among seemingly unrelated fields of mathematics. (...) Should string theorists be paid by physics departments and allowed to pervert impressionable students?"

Richard Feynman: "The fact that a theory gets rid of infinities is to me not a suficient reason to believe its uniqueness"

Howard Georgi (colega de Glashow): "I'm much happier now to see people spending their time on string theory since I can now see how something usefull will come out of it"

Descobrindo a Teoria das Cordas

Adaptação da matéria da Scientifc American Brasil - Janeiro/2004 - pág 48-57

Estrutura básica envolvendo a natureza

da matéria é comparável ao encontro de

um tesouro. Promessas dos primeiros

indícios poderão ser confirmadas por

escavações mais profundas.

Existem dois tipos de teorias para descrever as leis físicas de nosso Universo - as teorias "construídas" e as teorias "descobertas". Uma teoria "construídas" é como um prédio que começa com uma base sólida e onde são colocadas paredes e janelas em posições que dependem da função do edifício. Se houver desejo de modificá-lo posteriormente, poderá ser feita uma mudança nas paredes e janelas sem afetar sua estabilidade. Da mesma forma, uma teoria "construída" pode ser modificada para concordar com nossos resultados experimentais, supondo que estes resultados não discordem da "base" da teoria.

Outra possibilidade é a teoria "descoberta", comparável a um tesouro enterrado. O tesouro é achado por acaso quando alguém percebe, digamos, algumas moedas no chão e, após escavar por algum tempo, descobre a magnitude do tesouro. Ao contrário de uma teoria "construída", uma teoria "descoberta" é dificilmente modificada porque não se pode avaliar o tesouro antes de encontrá-lo. mas devido ao fato de a "escavação" ser baseada em pesquisa teórica e não em experiências, uma teoria "descoberta" pode ser desenvolvida na ausência de novos resultados experimentais, o que é difícil de fazer com uma teoria "construída".

Um bom exemplo de uma teoria construída é o "modelo padrão" das interações fundamentais, que descreve três das quatro forças conhecidas. Essas três forças são: a força eletromagnética, a força fraca (responsável por radioatividade) e a força forte (responsável pela estabilidade do próton), mas o modelo padrão não descreve a quarta força, a gravitacional. A "base" do modelo padrão é a teoria quântica de força eletromagnética. Porque a teoria quântica de eletromagnetismo já foi testada (e verificada com a incrível precisão de um aparte em um bilhão), a base do modelo padrão, a fraca e forte, são descritas usando generalizações dos conceitos presentes na teoria quântica do eletromagnetismo. Embora alguns aspectos do modelo padrão (ex: o "bóson de Higgs") ainda não tenham sido verificados experimentalmente, a maioria dos físicos acredita que a estrutura básica do modelo padrão descreve corretamente a física subatômica. Posteriormente, se surgirem discrepâncias entre o modelo padrão e experiências (ex: neutrinos massivos), será possível fazer modificações (as paredes e janelas do modelo) sem demolir o prédio.

Uma propriedade essencial do modelo padrão é que todas as partículas fundamentais (exs: elétron, fóton, quark, etc) são objetos pontuais.Porque as forças entre dus partículas depende inversamente da distância ao quadrado entre elas, a força diverge para o infinito quando duas partículas pontuais se aproximam. Felizmente, no caso das três forças do modelo padrão, este infinito é "curado" pelos efeitos quânticos. Mas no caso da força gravitacional, o infinito persiste ainda depois de incluir os efeitos quânticos. Por essa razão não é possível incluir gravitaçãono modelo padrão sem derrubar o edifício inteiro.

Mas nos anos 70 descobriu-se a possibilidade de as partículas fundamentais serem ressonâncias de um objeto unidimencional chamado uma "corda" fundamental. Esta descoberta foi feita por acaso, investigando uma fórmula para espalhamento de partículas e percebendo que a fórmula somente faria sentido se as partículas fossem interpretadas como ressonâncias de uma corda vibrando. Cada ressonância deferente da corda corresponde a uma partícula fundamental específica, da mesma maneira que ressonâncias diferentes de uma corda de violino correspondem a notas musicais diferentes.Investigando as ressonâncias de uma corda fundamental, foi descoberto que uma das ressonâncias descreve a partícula chamada "gráviton", responsável pela força gravitacional. E outras ressonâncias da corda descrevem partículas muito semelhantes aos elétrons, fótons e quarks do modelo padrão. Além disso, as interações de objetos unidimencionais são mais suaves que as interações de objetos pontuais, implicando que a força entre duas cordas não diverge para o infinito quando elas se aproximam. Então existe a possibilidade de que a teoria de cordas unifique o modelo padrão com a gravitação, sem enfrentar o problema dos infinitos quânticos.

A teoria de cordas está sendo "descoberta" e não "construída", então as propriedades da teoria não podem ser ajustadas para coincidir com as propriedades desejadas. Por exemplo, no caso em que os objetos fundamentais sejam pontuais, não existem restrição sobre o número de dimensões do espaço-tempo do Universo. Mas a relatividade restrita proíbe que dois pontos distintos troquem informação com velocidade superior á da luz, o que pode causar uma contradição quando os dois pontos estão na mesma corda fundamental. Para evitar essa contradição é necessário que as cordas vibrem em dez dimensões (nove dimensões de espaço é uma de tempo) em vez do quadro dimensões (três dimensões do espaço e uma do tempo), que nos são familiares.

A exigência de dez dimensões representaria um problema sério para a teoria, a menos que seis das dimensões fossem pequeníssimas. É preciso lembrar que a energia de uma onda de luz é inversamente proporcional ao comprimento da onda, então, se as seis dimensões forem pequeníssimas, seriam necessárias enormes quantidades de energia para observá-las. A idéia de que nosso Universo possa ter mais de quatro dimensões é antiga e, de fato, Einstein utilizou-a para tentar unificar gravitação e eletromagnetismo. Existe a possibilidade de que observações cosmológicas do Universo jovem dêem informações se o Universo tem dimensões adicionais ou não.

Para a teoria de cordas conter partículas semelhantes ás partículas do modelo padrão, estas seis dimensões deveriam ser compactadas na forma de um espaço "Calabi-Yau" (capa da edição Janeiro/2004).

Outra descoberta escavada nos anos 80 é que os infinitos quânticos que dificultam a unificação de gravitação com o modelo padrão são eliminados somente se a teoria de cordas tiver uma característica chamada supersimetria. As partículas da Natureza são divididas em dois tipos, bósons (ex: o fóton e o bóson de Higgs) e férmions (ex: elétrons e quarks) e a supersimetria implicaria uma relação entre as massas dos bósons e as massas dos férmios. Embora ainda não exista evidência direta de que Natureza tenha de fato esta simetria, existem evidências indiretas disso. Em cinco anos deverão ser iniciadas experiências num acelerador em Genebra que irão procurar evidência direta de supersimetria. Se sua existência for confirmada, aumentará a confiança de que a teoria de cordas descreve corretamente a unificação de gravitação com o modelo padrão.

Cordas e supersimetria são chamadas supercordas. E as escavações dos anos 80 revelam cinco tipos de supercordas que aparentemente são tesouros independentes. Nos anos 90 foi descoberto que todos os cinco tipos de supercordas estão relacionados entre si por meio de simetrias chamadas "dualidades", então eles são cinco elementos do mesmo tesouro. Dualidades são relações entre teorias aparentemente diferentes, mas que descrevem a mesma física. Por exemplo, uma dualidade descoberta relaciona uma supercorda vibrando num espaço com tamanho 1/R. Essa dualidade se chama "simetria espelho", e é discutida amplamente na entrevista a seguir (a entrevista com Brian Greene é demasiadamente longa e por isso não foi reproduzida aqui).

Adaptado por Emiliano Chemello

echemell@ucs.br

Para saber mais...

SuperCordas, Em Busca da Teoria Final - Victor O. Rivelles -Institudo de Química da USP. Revista Ciência Hoje - CH 138

http://fma.if.usp.br/~rivelles/superstrings/sc1.html

Debate com o O físico Nathan Jacob Berkovits, do Instituto de Física Teórica da Universidade Estadual de São Paulo (IFT/Unesp), é um dos principais pesquisadores no Brasil sobre a teoria das supercordas. Berkovits participou, durante a semana de 5 a 9 de agosto, de um debate virtual sobre supercordas ocorrido na lista de e-mails sobre ciência Ciencialist. Houve a participação de membros da lista e pessoas convidadas, e foi organizado por Luís Roberto Brudna, administrador da lista.

http://www.ifi.unicamp.br/~knobel/radar/newspro/fullnews.cgi?newsid1029531763,68625,