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Nosso universo é realmente muito simples, são apenas nossas teorias cosmológicas que estão sendo desnecessariamente complexas, argumenta um dos físicos teóricos mais importantes do mundo.
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| Este instantâneo a partir de uma simulação em computador da formação de estruturas de grandes dimensões no universo mostra os movimentos coerentes de galáxias fluindo para a concentração de massa mais elevada no centro. (A mancha de 100 milhões de anos-luz é mostrada.) |
Esta conclusão pode parecer contra-intuitiva; além do mais, para entender plenamente as verdadeiras complexidades da Natureza, é preciso pensar grande, estudar coisas em escalas mais finas e mais finas, adicionar novas variáveis de equações, e pensar em uma "novo" e "exótica" física. Eventualmente, vamos descobrir o que é a matéria escura; eventualmente nós vamos ganhar uma compreensão de onde as ondas gravitacionais estão se escondendo - e os nossos modelos teóricos serão mais avançados e muito mais ... complexos.
Mas não é bem assim, segundo Neil Turok, Diretor do Instituto Perimeter de Física Teórica, em Ontário, Canadá. Na lógica de Turok, alguma coisa, o Universo, em suas escalas maiores e menores, está nos dizendo que na verdade é incrivelmente simples. Mas, para compreender totalmente o que isso significa, vamos precisar de uma revolução na física.
Em entrevista ao Discovery News, Turok salientou que as maiores descobertas das últimas décadas confirmaram a estrutura do universo em escalas cosmológicas e quânticas.
"Nas maiores escalas, temos mapeado todo o céu - a radiação cósmica de fundo - e medimos a evolução do universo, a maneira que ele está mudando, a maneira que ele está se expandindo... e essas descobertas revelam que o universo é surpreendentemente simples," ele disse. "Em outras palavras, você pode descrever a estrutura do universo, sua geometria e a densidade da matéria... você pode essencialmente descrever tudo isso com apenas um número."
O resultado mais fascinante deste raciocínio é que descrever a geometria do universo com um número, é na verdade mais simples do que a descrição numérica do átomo mais simples. que conhecemos - o átomo de hidrogênio. A geometria do átomo de hidrogênio é descrita por 3 números, que surgem das características quânticas de um elétron em órbita ao redor de um próton.
"Basicamente isso nos diz que o universo é suave, mas tem um pequeno nível de flutuação, que descreve este número. E é isso. O universo é a coisa mais simples que conhecemos."
No extremo oposto da escala, algo semelhante aconteceu quando os físicos analisaram o campo de Higgs, usando a máquina mais complexa já construída pela humanidade, o Grande Colisor de Hádrons. Quando, em 2012, os físicos fizeram a descoberta histórica da partícula que medeia o campo Higgs, o bóson de Higgs, que acabou por ser o tipo mais simples de Higgs descrito pelo modelo padrão da física.
"A Natureza escapou com a solução mínima, o mecanismo mínimo que você poderia imaginar para dar as partículas a sua massa, sua carga elétrica e assim por diante e assim por diante," disse o Turok.
Física do século XX nos ensinou que quando você ganhar mais precisão e você investigar mais a fundo no reino quântico, descobrimos um zoo de novas partículas. Assim como os resultados experimentais geram uma recompensa de informação quântica, modelos teóricos preverão mais partículas e forças bizarras. Mas agora nós estamos alcançando uma encruzilhada onde muitos de nossos conceitos teóricos mais avançados sobre o que está "além" da nossa compreensão atual da física estão transformando alguns resultados experimentais que suportam suas predições.
"Nós estamos nessa situação bizarra, onde o universo fala conosco; está nos dizendo que é extremamente simples. Ao mesmo tempo, as teorias que têm sido muito populares (dos últimos 100 anos de física) tornaram-se cada vez mais complicadas e arbitrárias, disse ele.
Turok apontou para a teoria das cordas que foi anunciada como a "teoria final unificada," envolvendo todos os mistérios do universo em um pacote puro. Também, a busca de evidências de inflação - a rápida expansão do universo logo após o Big Bang a quase 14 bilhões anos atrás - sob a forma de primordiais ondas gravitacionais gravadas na radiação cósmica de fundo (CMB), ou o "eco" do Big Bang. Mas, a medida que procuramos evidências experimentais, só nos resta atirar no escuro proverbial; a evidência experimental simplesmente não concorda com nossas teorias irritantemente complexas.
Nossas origens cósmicas
O trabalho teórico do Turok centra-se em torno da origem do universo, um assunto que tem atraído muita atenção nos últimos meses.
No ano passado, a colaboração de BICEP2, que utiliza um telescópio localizado no Pólo Sul para estudar a CMB, anunciou a descoberta de sinais de primordiais de ondas gravitacionais no eco do Big Bang. Este é basicamente o "Santo Graal" da cosmologia - a descoberta de ondas gravitacionais que foram geradas pelo Big Bang confirmariam certas teorias inflacionárias do universo. Mas infelizmente, para a equipe de BICEP2, eles anunciaram a "descoberta" prematuramente e o telescópio espacial Planck Europeu (que também mapeia a CMB) revelou que o sinal de BICEP2 foi causado pela poeira na nossa galáxia e não antigas ondas gravitacionais.
E se essas ondas gravitacionais primordiais nunca forem encontradas?
Muitos teóricos que depositaram suas esperanças no Big Bang, seguido por um rápido período de inflação podem se decepcionar, mas de acordo com Turok, "vai ser uma pista muito poderosa" que o Big Bang (no sentido clássico) não pode ser o começo absoluto do universo.
"O maior desafio para mim tem sido descrever matematicamente, o Big Bang em si," adicionou Turok.
Talvez um modelo cíclico de evolução universal - onde nosso universo desmorona e ricocheteia novamente - pode encaixar melhor as observações. Estes modelos não necessariamente geram ondas gravitacionais primordiais, e se essas ondas não são detectadas, talvez nossas teorias inflacionárias precisam ser jogadas fora ou modificadas.
Quanto as ondas gravitacionais que estão previstas para serem geradas pelo movimento rápido de objetos massivos em nosso universo moderno, Turok está confiante de que estamos chegando um reino de sensibilidade que o nossos detectores de ondas gravitacionais vão detectá-las muito em breve, confirmando as previsões de um outro Espaço Tempo de Eistenin. "Esperamos ver as ondas gravitacionais de colisões de buraco negro dentro dos próximos 5 anos", disse ele.
A próxima revolução?
De maiores escalas para as escalas menores, o universo parece ser "escala livre" - em outras palavras, não importa se você estiver olhando para uma escala espacial ou de energia, pois o essencial é a escala "especial". E este achado sugere, na verdade, que o universo tem uma natureza muito mais simples do que as teorias atuais sugerem.
"Sim, é uma crise, mas é uma crise do melhor tipo," disse o Turok.
Então, para explicar a origem do universo e chegar a um acordo com alguns dos mistérios mais desconcertantes do nosso universo como matéria escura e energia escura, precisamos olhar para o nosso cosmos diferente. Mas isso vai exigir uma revolução na física, sua compreensão e ,possivelmente sua história, como fez Einstein dizendo que o espaço e o tempo são a mesma coisa quando ele formulou sua teoria da relatividade geral há 100 anos.
Especial de 100 anos da Teoria da Relatividade Geral
"Precisamos de uma visão muito diferente da física básica. "Este é o tempo para ideias radicais, novos, concluiu, ressaltando que este é um grande momento na história humana para os jovens entrem no campo da física teórica, formando a próxima geração que provavelmente vai transformar o forma como olhamos para o universo.
Traduzido e adaptado de LiveScience
Por que nosso universo é da maneira que é?
Em particular, por que nós só experimentamos três dimensões espaciais em nosso universo, quando a teoria de supercordas, por exemplo, afirma que existem dez dimensões - nove dimensões espaciais e uma décima dimensão temporal?
Cientistas japoneses pensam que podem ter uma explicação de como um universo tridimensional emergiu das nove dimensões originais do espaço. Eles descrevem seus novos cálculos de supercomputadores que simulam o nascimento do nosso universo em artigo na Physical Review Letters.
Antes de nos aprofundarmos em detalhes alucinantes, é útil ter um pouco detalhamento e bases teóricas:
A teoria do Big Bang de como o universo nasceu foi embolsada por alguma evidência observacional bastante convincente, incluindo a medição da radiação cósmica de fundo e a abundância relativa de elementos.
Os cosmólogos podem olhar para trás no tempo para dentro de poucos segundos do Big Bang, quando todo o universo era apenas um pequeno ponto - nesse ponto, a física que conhecemos e amamos não funciona. Precisamos de um novo tipo de Teoria, uma que combina a relatividade com a mecânica quântica, para dar sentido a esse momento.
Ao longo do século 20, os físicos cuidadosamente remendaram um razoável e eficiente "modelo padrão" da física. O modelo surgiu sem recorrer a dimensões extras. Fundiu o eletromagnetismo com as forças nucleares forte e fraca (em quase impossíveis altas temperaturas), apesar das diferenças em seus respectivos pontos fortes, ele fornece um quadro teórico puro para a grande e barulhenta "família" de partículas subatômicas.
Mas há um buraco nisso tudo. O modelo padrão não incluía a força gravitacional. É por isso que Jove, o físico no romance de Jeanette Winterson, Gut Symmetries, chama o modelo padrão do "voo na lona" - é "grande, feio, útil, abrange o que você quer e ignora a gravidade". A teoria de supercordas visa ligar esse buraco.
Um Universo de 10 dimensões - Explicando a Teoria das Supercordas
Puxando as cordas
De acordo com os teóricos das cordas, existem as três dimensões espaciais de tamanho normal que experimentamos todos os dias, uma dimensão de tempo, e seis dimensões extras enroladas na escala de Planck como maços de papel. Tão pequena como estas dimensões são as cordas - a unidade mais fundamental na natureza, que vibram na escala de Planck - que são ainda menores.
A forma geométrica dessas dimensões extras ajuda a determinar os padrões ressonantes de vibração das cordas. Esses padrões de vibração, por sua vez, determinam o tipos de partículas elementares que são formados, e geram as forças físicas que observamos em torno de nós, da mesma forma que os campos de vibração de eletricidade e magnetismo dão origem a todo o espectro de luz, cordas vibrantes podem produzir diferentes notas musicais em um violino.
Toda a matéria (e todas as forças) são compostas por estas vibrações - incluindo a gravidade. E uma das formas em que cordas podem vibrar corresponde a uma partícula que medeia a gravidade.
Voila! A Relatividade geral já foi quantificada. E isso significa que a teoria das cordas podem ser usados para explorar o ponto infinitamente pequeno do nascimento do nosso universo (ou a singularidade que se encontra no centro de um buraco negro).
Simetria quebrada
Existe mais uma "ruga" em todo esse negócio de dimensões extras: uma vez que o nosso mundo que experimentamos atualmente tem apenas três. Os físicos elaboraram um cenário hipotético bastante convincente de como isso pode ter acontecido.
Antes do Big Bang, o cosmos era um universo de nove dimensões perfeitamente simétrico (ou dez, se você adicionar a dimensão do tempo) com todas as quatro forças fundamentais unificadas em temperaturas inimaginavelmente altas. Mas esse universo era altamente instável e rachado em dois, o envio de uma imensa onda de choque reverberou através do cosmos embrionário.
O resultado foi dois espaços-tempo distintos: o tridimensional desfraldado que habitamos, e um seis-dimensional que contraiu tão violentamente quanto o nosso expandido, encolhendo em uma pequena bola de Planck. A medida que o nosso universo expandiu e esfriou, as quatro forças dividiram-se uma por uma, começando com a gravidade. Tudo o que vemos ao nosso redor hoje é um mero fragmento do estilhaçado universo de nove dimensões originais.
Os físicos que defendem esse ponto de vista não tem certeza por que isso aconteceu, mas eles suspeitam que pode ser devido à tensão incrível e de alta energia necessária para manter um estado supersimétrico, o que poderia torná-lo inerentemente instável.
Imagine que você esteja tentando arrumar a cama depois que o seu lençol voltou da lavanderia, mas o lençol encolheu ligeiramente na lavagem. Você consegue dar um jeito, puxando-o para caber em torno de todos os quatro cantos da cama, mas o tecido é tão esticado que não vai ficar no lugar.
Há muita pressão sobre o tecido, então um canto inevitavelmente aparecerá solto, fazendo com que o lençol se enrole em um local. Claro, você pode forçar esse canto de volta no lugar, mas, novamente, a tensão irá revelar-se muito e ele irá soltar em outro canto.
Assim como o lençol, o tecido do espaço-tempo de dez dimensões original foi esticado em um estado supersimétrico. Mas a tensão tornou-se muito grande, e o espaço-tempo rachou-se em dois. Uma parte enrolou-se em uma pequena bola apertada, enquanto o tremor da ruptura cósmica cataclísmica causou a expansão rápida da outra parte, um período conhecido como a inflação. Isto tornou o nosso universo visível.
Isso é o que mostra uma simulação japonesa: o universo teve nove dimensões espaciais em seu nascimento, mas apenas três delas experimentaram a expansão. É a primeira demonstração prática de como um universo tridimensional emerge a partir do espaço de nove dimensões, proporcionando um forte apoio em favor da validade da teoria.
Qual o mecanismo pelo qual isto aconteceu? Para um universo de dez dimensões, há milhões de maneiras para a quebra da supersimetria. Então, há algo especial sobre as três dimensões espaciais que faz com que essa configuração seja favorecida em nosso próprio universo? As novas simulações podem ajudar a lançar alguma luz sobre como essa quebra de simetria poderia ter se desenrolar do jeito que aconteceu.
Junho Nishimura (KEK), Asato Tsuchiya (Shizuoka University), e Sang-Woo Kim (Universidade de Osaka) abordaram o problema utilizando uma formulação da teoria das cordas conhecida como o modelo de matrix IKKT (nomeado pelos cientistas que a desenvolveram, em 1996, Ishibashi, Kawai, Kitazawa, e Tsuchiya). Ele foi projetado para modelar as interações complexas das cordas.
Por razões técnicas muito complicadas, a conexão entre o modelo de matrix IKKT original e o mundo real era um pouco vago, principalmente porque (a) assume interações fracas, quando na verdade as interações entre cordas são bastante fortes; e (b) a variável de tempo nos cálculos não foi tratada como "real" num sentido matemático. Estas novas simulações assumem interações fortes, e tratam o tempo como uma variável real.
Portanto, a mensagem é que os teóricos das cordas têm agora uma ferramenta útil para analisar as previsões de teoria das supercordas com simulações de computador, lançando luz sobre esses problemas complicados como inflação, matéria escura, e a aceleração da expansão do universo. E isso também explica por que nosso universo é da forma que é.
Fonte: Discovery
Este artigo foi escrito por Eugene Lim partir do King College de Londres, e foi originalmente publicado em The Conversation
A existência de universos paralelos pode parecer algo inventado por escritores de ficção científica, com pouca relevância para a física teórica moderna. Mas a ideia de que vivemos em um 'multiverso' composto por um número infinito de universos paralelos tem sido considerada uma possibilidade científica - embora ela ainda seja uma questão de debate vigoroso entre os físicos. A corrida agora é para encontrar uma maneira de testar a teoria, incluindo a busca de sinais de colisões com outros universos.
É importante ter em mente que a visão multiverso não é realmente uma teoria, é sim uma consequência de nossa compreensão atual da física teórica. Esta distinção é crucial. Nós não temos acenado nossas mãos e dizendo: "Que haja um multiverso". Em vez disso, a ideia de que o Universo é talvez um dos infinitamente muitos é derivada de teorias atuais, como a mecânica quântica e a teoria das cordas.
A interpretação de muitos mundos
Você pode ter ouvido o experimento mental do gato de Schrödinger, um animal assustador que vive em uma caixa fechada. O ato de abrir a caixa nos permite acompanhar uma das histórias de possíveis futuros de nosso gato, incluindo uma em que ele está morto e outra em que ele está vivo. A razão que esta parecer tão impossível é simplesmente porque a nossa intuição humana não está familiarizada com ele.
Mas isso é perfeitamente possível de acordo com as regras estranhas da mecânica quântica. A razão pela qual isso pode acontecer é que o espaço de possibilidades na mecânica quântica é enorme. Matematicamente, um estado da mecânica quântica é uma soma (ou superposição) de todos os estados possíveis. No caso do gato de Schrödinger, o gato é a superposição de estados "morto" e "vivo".
Mas como podemos interpretar isto de modo que possa fazer qualquer sentido prático? Uma forma popular é pensar em todas essas possibilidades como dispositivos de medição de contabilidade de modo que o único estado "objetivamente verdadeiro" do gato é aquele que observamos. No entanto, podemos muito bem optar por aceitar que todas essas possibilidades são verdadeiras, e que elas existem em diferentes universos de um multiverso.
A paisagem das cordas
A teoria das cordas é um dos nossas mais, se não a mais, promissora teoria que é capaz de unificar a mecânica quântica e a gravidade. Isto é notoriamente difícil porque a força gravitacional é tão difícil de descrever em pequenas escalas quanto os átomos e partículas subatômicas - o que só é explicado através da ciência da mecânica quântica. Mas a teoria das cordas, que afirma que todas as partículas fundamentais são feitas de cordas unidimensionais, pode descrever todas as forças conhecidas da natureza de uma só vez: gravidade, eletromagnetismo e as forças nucleares.
No entanto, para a teoria das cordas trabalhar matematicamente, exige pelo menos dez dimensões físicas. Uma vez que só podemos observar quatro dimensões: altura, largura, profundidade (espacial) e tempo (temporal), as dimensões adicionais da teoria das cordas devem, portanto, ser escondidas de alguma forma, se ela for correta. Para ser capaz de usar a teoria para explicar um fenômeno físico, estas dimensões adicionais têm de ser 'compactadas' de tal maneira que elas ficam demasiado pequenas para serem vistas. Dessa forma, talvez, para cada uma de nossas grandes quatro dimensões espaço-temporais, existem seis direções extras indistinguíveis?
Um problema, ou alguns diriam, uma característica, da teoria das cordas é que há muitas maneiras de fazer essa compactificações - 10500 possibilidades é um número geralmente elogiado. Cada uma destas compactificações resultará num universo com diferentes leis físicas - tais como diferentes massas de elétrons e diferentes constantes de gravidade. No entanto, há também vigorosas objeções à metodologia de compactificação, então o problema não é resolvido completamente.
Mas dado isso, a pergunta óbvia é: qual destas possibilidades é que estamos vivendo? A teoria das cordas em si não fornece um mecanismo para prever corretamente a realidade, o que a torna inútil a medida que não podemos testá-la. Mas, felizmente, uma ideia do nosso estudo da cosmologia do Universo primordial transformou esta falha em um recurso.
O início do Universo
Durante o Universo primordial, logo após o Big Bang, o Universo passou por um período de expansão acelerada chamado de inflação. A inflação foi invocada originalmente para explicar por que o Universo observacional atual é quase uniforme em temperatura. No entanto, a teoria também previu um espectro de variações de temperatura ao redor esse equilíbrio que foi posteriormente confirmado por várias naves espacial como a Cosmic Background Explorador, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe e a nave espacial PLANCK.
Embora os detalhes exatos da teoria ainda estão sendo debatidos, a inflação é amplamente aceita pelos físicos. No entanto, uma consequência dessa teoria é que deve haver outras partes do Universo que ainda estão se acelerando. No entanto, devido às flutuações quânticas do espaço-tempo, algumas partes do Universo nunca realmente atingiram o estado final da inflação. Isto significa que o Universo está, pelo menos, de acordo com a nossa compreensão atual, eternamente se inflando. Algumas partes podem, portanto, acabarem se tornando outros universos, o que gera outros universos, que gera outros universos e assim por diante. Este mecanismo gera um número infinito de universos.
Ao combinar este cenário com a teoria das cordas, existe uma possibilidade de que cada um desses universos possuirem uma compactificação diferente das outras dimensões e, consequentemente, tem as leis físicas diferentes.
A radiação cósmica de fundo. Ondas e sinais de colisões com outros universos gravitacionais percorrem. Créditos: WMAP da NASA / wikimedia
Testando a teoria
Os universos previstos pela teoria das cordas e a inflação vivendo no mesmo espaço físico (ao contrário dos muitos universos da mecânica quântica, que vivem em um espaço matemático), podem se sobrepor ou colidir. Na verdade, eles inevitavelmente devem colidir, deixando possíveis assinaturas cósmicas no céu que podemos tentar procurar.
Os detalhes exatos das assinaturas dependem intimamente dos modelos - que vão desde pontos quentes ou frios na radiação cósmica de fundo para anomalias vazias na distribuição de galáxias. No entanto, uma vez que as colisões com outros universos deve ocorrer em uma determinada direção, uma expectativa geral é que todas as assinaturas vai quebrar a uniformidade do nosso Universo observável.
Essas assinaturas estão sendo ativamente perseguidas por cientistas. Alguns estão olhando para elas diretamente através de impressões no fundo de microondas cósmico, o brilho do Big Bang. No entanto, nenhuma dessas assinaturas ainda está sendo vista. Outros estão à procura de um apoio indireto tais como as ondas gravitacionais, que são ondulações no espaço-tempo quando objetos maciços cruzam o espaço. Essas ondas poderiam provar diretamente a existência da inflação, que em última análise reforça o apoio da teoria do multiverso.
Se nós nunca vamos ser capazes de provar a sua existência é difícil de prever. Mas, tendo em vista as implicações enormes de tal constatação, a busca deve definitivamente valer a pena.
Traduzido e adaptado de Science Alert
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| Mapa interativo liga toda a física conhecida. Créditos: Quanta Magazine |
Na busca de uma descrição coerente, unificada de toda a natureza — uma "teoria do tudo" — os físicos descobriram raízes ligando cada vez mais fenômenos díspares. Com a lei da gravitação Universal, Isaac Newton ligou a queda de uma maçã às órbitas dos planetas. Albert Einstein, em sua teoria da relatividade, teceu o espaço e o tempo em uma única malha e mostrou como as maçãs e planetas caem ao longo de curvas desse tecido. E hoje, todas as conhecidas partículas elementares conectam-se ordenadamente em uma estrutura matemática chamada o modelo padrão. Mas nossas teorias físicas permanecem crivadas com desuniões, buracos e inconsistências. Estas são questões profundas que devem ser respondidas em perseguição a teoria do tudo.
Um novo mapa da fronteira da física fundamental, construído pelo desenvolvedor interativo Emily Fuhrman da Quanta Magazine, faz questionamentos de peso mais ou menos de acordo com a sua importância no avanço do campo. Parecia natural para dar maior peso para a busca de uma teoria da gravidade quântica, que abarcaria a relatividade geral e a mecânica quântica, num quadro único. Em seu trabalho do dia-a-dia, porém, muitos físicos concentram mais no enraizamento da matéria escura, resolvendo o problema da hierarquia do Modelo Padrão, e ponderando os acontecimentos em buracos negros, esses engolidores misteriosos de espaço e tempo. Para cada questão, o mapa apresenta várias soluções propostas. As relações entre estas propostas formam uma rede de idéias.
Alguns dos principais temas dispostos no mapa são:
- Gravitação Quântica
- Teoria do Big Bang
- Paradoxos em buracos negros
- Supercordas
- Holografia
- Assimetria bariônica
- Teoria das Cordas
- Campo de Higgs
- Multiverso
- Energia Escura
- Supergravidade
- Matéria Escura
- Teoria da Grande Unificação
- Problema da Constante Cosmológica
- Massa do Neutrino
- Problema da Hierarquia
O mapa fornece descrições concisas de teorias muito complexas; você poderá aprender mais, explorando os links para dezenas de artigos e vídeos, e escolher as idéias que você achar mais elegantes ou promissoras. Finalmente, o mapa é extenso, mas dificilmente exaustivo; Você pode conferir a versão original em inglês aqui.
Traduzido e adaptado de Quanta Magazine
A Supergravidade, é um tipo de teoria quântica de campos de partículas elementares subatômicas e suas interações que se baseia na simetria das partículas conhecida como supersimetria e que inclui, naturalmente, a força gravitacional juntamente com as outras interações fundamentais da matéria, a força eletromagnética, a força fraca , e a força forte .
Teorias de supergravidade nasceram nas tentativas de construir uma teoria do campo unificado que descreve todas as quatro forças básicas. Uma das características essenciais de uma teoria do campo quântico é a sua previsão de partículas "transportadoras de força" que são trocadas entre interações de partículas da matéria. É neste contexto que a força gravitacional revelou-se difícil de tratar como uma teoria quântica de campos. A Relatividade Geral, que relaciona a força gravitacional à curvatura do espaço-tempo, fornece uma teoria respeitável de gravidade numa escala maior. Para ser consistente com a relatividade geral, a gravidade no nível quântico deve ser transportada por uma partícula, chamado graviton, que tem uma força intrínseca angular (spin) de 2 unidades, em contraste com as outras forças fundamentais, cujas partículas transportadoras (mediadoras) (por exemplo, o fóton e o glúon ) têm uma rotação (spin) de valor 1.
Uma partícula com as propriedades do graviton aparece naturalmente em certas teorias baseadas na supersimetria - a simetria que relaciona férmions (partículas com valores de semi-inteiros de rotação) e bósons (partículas com valores inteiros de rotação). Nessas teorias, a supersimetria é tratada como uma simetria "local"; em outras palavras, as suas transformações variam ao longo do espaço-tempo. Tratar a supersimetria desta forma, a relaciona com a relatividade geral, e assim, a gravidade é incluída automaticamente. Além disso, as teorias de supergravidade são mais propensas a serem livre de diversas quantidades infinitas inconsistentes ou "não-físicas", que normalmente surgem em cálculos envolvendo teorias quânticas da gravidade. Estes "infinitos" são cancelados pelos efeitos das partículas adicionais que predizem a Supersimetria (todas as partículas devem ter um a parceira supersimétrica com outro tipo de rotação).
Teorias de supergravidade permitem dimensões extras do espaço-tempo, além das três dimensões familiares de espaço e uma de tempo. Modelos de supergravidade em dimensões superiores "reduzem" para a quatro dimensões do espaço-tempo familiar e postula-se que as dimensões adicionais são compactadas ou enroladas de tal forma que elas não são perceptíveis. Uma analogia seria um tubo tridimensional que parece como uma linha unidimensional visto à distância, pois duas dimensões estão enroladas no pequeno círculo.
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| Um cilindro visto a distância se torna uma linha, duas dimensões são perdidas visualmente. Dessa forma são as 7 dimensões extras: não podemos vê-las pois elas são muito compactas e recurvadas no espaço e no tempo. |
A vantagem das dimensões adicionais é que elas permitem que teorias de supergravidade incorporarem as forças electromagnéticas, fraca e forte, bem como a gravidade. O número máximo de dimensões permitidas nas teorias é de 11, e há indícios de que uma teoria unificada viável e única que descreve todas as partículas e forças podem ser baseadas em 11 dimensões. Tal teoria poderia substituir as teorias de supercordas de 10 dimensões, a primeira a oferecer a promessa de uma "teoria de tudo" auto-consistente e totalmente unificada na década de 1980.
Traduzido e adaptado da Enciclopédia Britânica
Novas ferramentas podem revelar como a informação quântica constrói a estrutura do espaço.
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| Redes de tensores poderiam ligar a espuma espaço-tempo à informação quântica. Hannes Hummel para a Quanta Magazine. |
Há uma batalha acontecendo na borda do universo, mas está sendo travada bem aqui na terra. Com raízes que vem desde os antigos gregos, aos olhos dos Campeões em ambos os lados, esta luta é um concurso por nada menos do que o futuro da ciência. É um conflito que envolve as maiores questões cósmicas humanas e que podem requerer métodos que usamos — ou podemos usar — para obtermos respostas para essas perguntas.
A Cosmologia é o estudo do universo como um todo: sua estrutura, sua origem e seu destino. A Física fundamental é o estudo de entidades de base da realidade e suas interações. Com estas descrições... não é nenhuma surpresa que a cosmologia e física fundamental compartilhem um vasto território. Você não consegue entender como o universo evolui após o Big Bang (uma questão cosmológica) sem entender como a matéria, energia, espaço e tempo interagem (uma questão da física fundamental). Recentemente, no entanto, algo notável aconteceu em ambos estes campos que está fazendo polêmica entre alguns cientistas. Como os físicos George Ellis e Joseph Silk recentemente colocaram na Nature :
A raiz do problema depende de duas idéias/teorias agora centrais para alguns cosmólogos (mesmo se eles permanecerem problemáticos para os físicos como um todo). A primeira é a teoria das cordas, que postula que o mundo é composto não de partículas pontuais, mas de pequenas cordas vibrantes. Teoria das cordas só funciona se o universo tiver muitas dimensões "extras" no espaço que não sejam as três que nós experimentamos no dia a dia. A segunda ideia é do então chamado Multiverso, que, na sua forma mais popular, afirma que mais de um universo distinto emergiu do Big Bang. Em vez disso, os adeptos afirmam que pode haver um quase infinito (se não verdadeiramente infinito) número "universos" paralelos, cada um com sua própria versão física.
Tanto a teoria das cordas quanto o Multiverso são grandes reformulações ousadas do que queremos dizer quando usamos as palavras "realidade física". Isso é motivo suficiente para que sejam temas polêmicos em círculos científicos. Mas na busca dessas ideias, algo novo emergiu. Ao invés de focar apenas em questões sobre a natureza do cosmos, os novos desenvolvimentos levantam perguntas críticas sobre as regras básicas da ciência quando aplicadas a algo no universo como um todo.
Aqui está o problema: tanto a teoria das cordas e o Multiverso postulam entidades que podem, em princípio e na prática, serem não-observáveis. Evidências para as dimensões extras são necessárias para resolverem a teoria das cordas e são prováveis de requererem um acelerador de partículas de proporções astronômicas. E os outros universos que compõem o Multiverso podem estar permanentemente sobre nosso "Horizonte", tal que nunca teremos observações diretas de sua existência. É este aspecto específico das teorias que cientistas como Ellis e seda tem ficado tão preocupados. Como eles dizem:
O que eles e outros, acham particularmente preocupante é a alegação de que nossas tentativas de adiar as fronteiras da cosmologia e física fundamental tomaram-se um novo domínio onde há necessidade de novas regras da ciência. Alguns chamam esta ciência de "pós-empírica". Recentemente, por exemplo, o filósofo da física Richard Dawid argumentou que apesar do fato de que nenhuma evidência para a teoria das cordas existe (mesmo após três décadas de intenso estudo), deve ainda ser considerada o melhor candidato para um caminho a frente. Como Dawid coloca, tais argumentos incluem "ninguém encontrou-se uma boa alternativa para a teoria das cordas. Outro [motivo para aceitar a teoria das cordas é] usa a observação de que as teorias sem alternativas tenderam a serem viáveis no passado. "
Sean Carroll, um altamente respeitado e filosoficamente astuto físico, tem uma abordagem diferente de Dawid. Para Carroll, é o conceito de falseabilidade, que era a filosofia científica central do famoso Karl Popper, que é demasiado limitada para os campos onde encontramos nós mesmos usando-a. Como Carroll escreve:
Assim, para Carroll, mesmo se uma teoria prediz entidades que não podem ser observadas diretamente, se não houver consequências indiretas da sua existência pode confirmar e, em seguida, essas teorias (e essas entidades) devem ser incluídas nas nossas considerações.
Outros cientistas, no entanto, não estão convencidos. O físico de Altas Energias Sabine Hossenfelder chamou o tipo de ciência pós-empírica de Dawid de uma ciência "oxímora." Mais importante ainda, para os cientistas como Paul Steinhardt e colaboradores, as novas idéias estão se tornando "pós-modernas."
Esta é a possibilidade que preocupa Ellis e Silk, acima de tudo:
A Teoria das cordas e o Multiverso são idéias excitantes entre si mesmos. Se qualquer uma fosse verdade, teria consequências revolucionárias para nossa compreensão do cosmos. Mas, como debates sobre ciência pós-empírica e falseabilidade demonstram, críticos destas teorias não testadas temem que podem estar colocando-as sob um difícil — e, finalmente, prejudicial — caminho. É por isso, de uma maneira ou outra, que estas podem ser as mais perigosas idéias da ciência.
Texto original de Adam Frank.
Traduzido e adaptado de: npr blog
Texto original de Adam Frank.
Traduzido e adaptado de: npr blog
A teoria das supercordas postula que o universo existe em 10 dimensões de uma só vez. Crédito: Instituto Nacional de Tecnologia Tiruchirappalli.
Quando alguém menciona "diferentes dimensões," temos a tendência de pensar em coisas como universos paralelos - realidades alternativas que existem em paralelo à nossa, onde as coisas funcionam ou aconteceu de forma diferente. No entanto, a realidade de dimensões e como elas desempenham um papel na ordenação do nosso Universo é realmente muito diferente desta caracterização popular.
As dimensões são simplesmente as diferentes facetas do que nós percebemos a ser realidade. Somos imediatamente cientes das três dimensões que nos rodeiam diariamente - aquelas que definem o comprimento, largura e profundidade de todos os objetos em nossos universos (x, y, z, respectivamente).
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| Diagrama mostrando as coordenadas tridimensionais xyz em nosso espaço convencional. |
A primeira dimensão , como já foi notado, é que o que lhe confere comprimento (o eixo x). Uma boa descrição de um objeto unidimensional é uma linha reta, que só existe em termos de comprimento e não tem outras qualidades perceptíveis. Adicione a isso uma segunda dimensão , o eixo y (ou altura), e você terá um objeto que se torna uma forma bi-dimensional (como um quadrado).
A terceira dimensão envolve a profundidade (eixo z), e dá a todos os objectos de um sentido e uma área de secção transversal. O perfeito exemplo disto é um cubo, que existe em três dimensões e tem um comprimento, largura, profundidade e, consequentemente, do volume. Além destes três encontram-se as sete dimensões que não são imediatamente aparentes para nós, mas que ainda pode ser percebidas como tendo um efeito direto sobre o universo e a realidade tal como a conhecemos.
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| Hipercubo quadrimensional formando uma percepção do que seria uma quarta dimensão geométrica. |
Os cientistas acreditam que a quarta dimensão é o tempo, que governa as propriedades de toda a matéria conhecida em qualquer ponto. Junto com os outras três dimensões, conhecendo uma posição de objetos no tempo é essencial para traçar a sua posição no universo. As outras dimensões são as possibilidades mais profundas, onde entram em jogo, e explicando a sua interação com os outros. É o lugar onde as coisas ficam particularmente complicado para os físicos.
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| A linha do tempo do universo, começando com o Big Bang. De acordo com a Teoria das Cordas, este é apenas um dos muitos mundos possíveis. Crédito: NASA |
De acordo com a teoria das supercordas, as dimensões quinta e sexta são onde a noção de mundos possíveis surge. Se pudéssemos ver em meio à quinta dimensão, veríamos um mundo um pouco diferente do nosso, que nos daria um meio de medir a similaridade e diferenças entre o nosso mundo e outras possíveis.
Na sexta, veríamos um plano de mundos possíveis, onde poderíamos comparar e posicionar todos os universos possíveis que começam com as mesmas condições iniciais como este (ou seja, o Big Bang). Em teoria, se você pudesse dominar a quinta e sexta dimensão, você poderia então viajar no tempo ou ir para diferentes futuros.
Na sétima dimensão, você tem acesso aos mundos possíveis que começam com diferentes condições iniciais. Considerando que, na quinta e sexta, das condições iniciais eram as mesmas e subsequentes ações eram diferentes, aqui, tudo é diferente, desde o início dos tempos. A oitava dimensão novamente nos dá um plano de tais histórias do universo possíveis, cada uma delas começa com diferentes condições iniciais e ramificam-se infinitamente (por isso que eles são chamados de infinitos).
Na nona dimensão, podemos comparar todas as histórias possíveis universo, começando com todas as diferentes leis da física e possíveis condições iniciais. Na décima e último dimensão, chegamos ao ponto em que todo o possível e imaginável é coberto. Além disso, nada pode ser imaginado por nós mortais inferiores, o que torna a limitação natural do que podemos conceber em termos de dimensões.
A existência dessas seis dimensões adicionais na qual que nós não podemos perceber é necessário para a Teoria das Cordas, a fim de ser sua consistência na natureza. O fato de que podemos perceber apenas quatro dimensões do espaço pode ser explicado por um dos dois mecanismos: ou as dimensões extras são compactadas em uma escala muito pequena, ou então o nosso mundo pode viver em uma subvariedade tridimensional que corresponde a uma membrana, em (Teoria dos Branas), na qual todas as partículas conhecidas, além de gravidade seriam restritas.
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Se as dimensões adicionais fossem compactadas, elas poderiam aparecer geometricamente na forma de um colector de Calabi-Yau (mostrado acima). Os cientistas acreditam que espiando através do tempo, usando telescópios para detectar a luz do início do universo (ou seja, bilhões de anos atrás), eles podem ser capazes de ver como a existência dessas dimensões adicionais poderiam ter influenciado a evolução do cosmo.
Muito parecido com outros candidatos para uma grande teoria unificadora - também conhecido como a Teoria do Tudo (TOE) - a crença de que o universo é composto de dez dimensões (ou mais, dependendo do modelo de teoria das cordas que você usa) é uma tentativa de conciliar a modelo padrão da física de partículas com a existência da gravidade. Em suma, é uma tentativa de explicar como todas as forças conhecidas dentro de nosso universo interagem como outros universos possíveis si poderia funcionar.
Para obter informações adicionais, aqui está um artigo do Universe Today sobre universos paralelos, e outro sobre um paralelo do universo na qual cientistas pensavam que descobriram que na verdade não existe.
Este video abaixo ajudará você a compreender melhor a teoria das dimensões: Nesse outro vídeo, o físico teórico Michio Kaku explica claramente como são as 11 dimensões do espaço.
Fontes: Phys.org
Fontes: Phys.org
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