A teoria das cordas, até agora, não conseguiu fazer jus à sua promessa como uma forma de unir a gravidade e a mecânica quântica. Ao mesmo tempo, ele floresceu em um dos conjuntos mais úteis de ferramentas da ciência
Teoria das cordas entrou em cena cerca de 30 anos atrás, uma promessa de simplicidade elegante que iria resolver problemas complicados em física fundamental – incluindo a incompatibilidade notoriamente intratável entre o espaço-tempo deformado de Einstein e os inerentemente nervosos pedaços quantificados de material que fez tudo no Universo.
Parecia, parafraseando Michael Faraday, demasiado maravilhoso não para ser verdade: Basta substituir infinitamente pequenas partículas por pequenas (mas finitas) alças de corda que vibram. As vibrações iriam criar quarks, elétrons e fótons glúons, assim como as suas famílias alargadas, produzindo em harmonia todos os ingredientes necessários para preparar o mundo cognoscível. Evitando o infinitamente pequeno significava evitar uma variedade de catástrofes. Por um lado, a incerteza quântica não poderia rasgar o espaço-tempo em pedaços. Por fim, ao que parece, era uma teoria funcional da gravidade quântica.
Ainda mais bonito do que a história contada em palavras era a elegância da matemática por trás disso, que tinha o poder de levar alguns físicos ao êxtase.
Para ter certeza, a teoria veio com implicações perturbadoras. As cordas eram pequenas demais para ser sondadas pela experiência e habitavam em até 11 dimensões do espaço. Estas dimensões foram dobradas sobre si mesmas – ou “compactadas” – em formas de origami complexos. Ninguém sabia exatamente como as dimensões foram compactadas – as possibilidades de fazê-las parecia ser infinita – mas certamente alguma configuração viria a ser apenas o que era necessário para produzir forças e partículas conhecidas.
O amplituhedron é um objecto de multi-dimensional que pode ser usado para calcular as interações de partículas. Os físicos, tais como Chris Beem estão aplicando técnicas da teoria das cordas em geometrias especiais onde “o amplituhedron dá seu melhor de si”, diz ele.
Por um tempo, muitos físicos acreditavam que a teoria das cordas renderia uma maneira única de combinar a mecânica quântica e a gravidade. “Havia uma esperança. Um momento”, disse David Gross, um leitor de original do chamado Quarteto Princeton String, ganhador do Prêmio Nobel e membro permanente do Instituto Kavli de Física Teórica na Universidade da Califórnia, Santa Barbara. “Nós até pensamos por um tempo em meados dos anos 80 que era uma teoria única.”
E, em seguida, os físicos começaram a perceber que o sonho de uma teoria singular era uma ilusão. As complexidades da teoria das cordas, todas as permutações possíveis, recusaram-se a reduzir a a um único modelo que descreveu o nosso mundo. “Depois de um certo ponto no início dos anos 90, as pessoas desistiram de tentar se conectar com o mundo real”, disse Gross. “Os últimos 20 anos têm sido realmente uma grande extensão de ferramentas teóricas, mas muito pouco progresso na compreensão do que é realmente lá fora.”
Muitos, em retrospectiva, perceberam que tinha levantado uma barra demasiado alta. Saindo do ímpeto de completar o “modelo padrão” sólido e poderoso da física de partículas na década de 1970, eles esperavam que a história se repetiria – só que desta vez em uma escala maior. “Nós temos tentado apontar para os sucessos do passado, onde tivemos uma equação muito simples que capturava tudo”, disse Robbert Dijkgraaf, diretor do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, New Jersey. “Mas agora temos esta grande confusão.”
Eva Silverstein, professora de física na Universidade de Stanford, aplicando a teoria das cordas a problemas na cosmologia. Cortesia do SLAC National Accelerator Laboratory
Assim como uma beleza amadurecendo, a teoria das cordas ficou rica em relacionamentos, complicada, difícil de manusear e amplamente influente. Seus tentáculos atingiram tão profundamente em muitas áreas da física teórica, que tornou-se quase irreconhecível, até mesmo para os teóricos das cordas. “As coisas ficaram quase pós-modernas”, disse Dijkgraaf, pintor e físico matemático.
A matemática que saiu da teoria das cordas foi colocada em uso em campos tais como a cosmologia e física da matéria condensada – o estudo de materiais e suas propriedades. É tão onipresente que “mesmo se você desligar todos os grupos da teoria das cordas, as pessoas em matéria condensada, as pessoas na cosmologia e as pessoas na gravidade quântica vão fazê-lo”, disse Dijkgraaf.
“É difícil dizer realmente onde você deve desenhar o contorno ao redor e dizer: Esta é a teoria das cordas; esta não é a teoria das cordas”, disse Douglas Stanford , um físico do IAS. “Ninguém sabe mais dizer o que é um teórico das cordas”, disse Chris Beem, um físico matemático na Universidade de Oxford. “Tornou-se muito confuso.”
A teoria das cordas hoje parece quase fractal. Quanto mais estreitamente as pessoas exploram qualquer cantinho, mais a estruturas eles encontram. Alguns escavam profundamente em fendas específicas; outros diminuem o zoom para tentar fazer sentido dos padrões mais grandiosos. O resultado é que a teoria das cordas hoje inclui tantas coisas que já não parece pegajosa. Esses minúsculos laços de corda cujos harmônicos foram pensados para respirar cada partícula e força conhecida da natureza (incluindo a gravidade evasiva), nem sequer aparece mais em quadros-negros em conferências. Na grande reunião anual teoria das cordas do ano passado, o teórico das cordas da Universidade de Stanford, Eva Silverstein, achou graça ao descobrir que ela era um das poucos dando uma palestra “sobre a teoria das cordas propriamente dita”, disse ela. Uma grande parte do tempo ela trabalha em questões relacionadas à cosmologia.
Mesmo que as ferramentas matemáticas da teoria das cordas sejam adotados em toda as ciências físicas, os físicos têm lutado com a forma de lidar com a tensão central da teoria das cordas: ela pode viver até sua promessa inicial? Poderia sempre dar aos pesquisadores uma visão sobre como gravidade e a mecânica quântica pode ser conciliada – não em um universo de brinquedo, mas em nosso próprio?
Juan Maldacena, um físico do Instituto de Estudos Avançados, desenvolveu o que se tornou um dos maiores sucessos da teoria das cordas. Andrea Kane
“O problema é que a teoria das cordas existe na paisagem da física teórica “, disse Juan Maldacena, um físico matemático da IAS e talvez a figura mais proeminente no campo hoje. “Mas nós ainda não sabemos ainda como ele se conecta com a natureza como uma teoria da gravidade.” Maldacena agora reconhece a amplitude da teoria das cordas, e sua importância para muitos campos da física – mesmo aqueles que não necessitam de “cordas” para ser o material fundamental do universo – quando define a teoria das cordas como “pesquisa teórica sólida em estruturas geométricas naturais.”
Uma explosão de campos quânticos
Um ponto alto para a teoria das cordas como uma teoria de tudo veio no final de 1990, quando Maldacena revelou que a teoria das cordas, incluindo a gravidade em cinco dimensões foi equivalente a uma teoria quântica de campos em quatro dimensões. Esta dualidade “AdS/CFT” apareceu para fornecer um mapa para obter uma alça sobre a gravidade – a parte mais intransigente do quebra-cabeça -, relacionando-a com a bem comprendida teoria quântica de campos.
Esta correspondência não foi pensada para ser um modelo do mundo real perfeito. O espaço de cinco dimensões em que se trabalha tem uma geometria “anti de-Sitter”, uma estranha paisagem Eschersiana que não é remotamente parecida com o nosso universo.
Mas os pesquisadores ficaram surpresos quando eles cavaram profundamente no outro lado da dualidade. A maioria das pessoas acreditavam que a teoria quântica de campos – ” o pão com manteiga da física”, como Dijkgraaf a chama – foi bem compreendida e ficou assim durante meio século. Como se viu, disse Dijkgraaf, “nós só a compreendemos de uma forma muito limitada.”
Essas teorias quânticas de campo foram desenvolvidas na década de 1950 para unificar a relatividade especial e a mecânica quântica. Elas trabalharam muito bem durante muito tempo. Mas hoje, quando os físicos revisitam “a parte que você pensava que compreendia 60 anos atrás”, disse Nima Arkani-Hamed, um físico do IAS, você encontra “estruturas impressionantes” que vieram como uma surpresa completa. “Cada aspecto da ideia de que nós entendemos da teoria quântica de campos acaba por estar errado. É uma fera muito maior.”
Pesquisadores desenvolveram um grande número de teorias quânticas de campo na última década, cada uma usada para estudar diferentes sistemas físicos. Beem suspeita que há teorias quânticas de campos que não podem ser descritas mesmo em termos de campos quânticos. “Nós temos opiniões que parecem bem loucas, em grande parte, por causa da teoria das cordas.”
Esta explosão de novos tipos de teorias quânticas de campo só lembram da física na década de 1930, quando a aparição inesperada de um novo tipo de partícula – o múon – levou Rabi II a perguntar: “Quem ordenou isso?” A enxurrada de novas partículas foi tão grande na década de 1950 que levou Enrico Fermi a resmungar: “Se eu pudesse lembrar os nomes de todas estas partículas, eu teria sido um botânico.”
Os físicos começaram a ver o seu caminho através do emaranhado de novas partículas apenas quando eles encontraram os blocos mais fundamentais de construção, como quarks e glúons. Agora, muitos físicos estão tentando fazer o mesmo com a teoria quântica de campos. Em suas tentativas de dar sentido ao zoo, muitos aprendem tudo o que podem sobre certas espécies exóticas.
As Teorias de Campo Conformal (a sigla à direita da AdS/CFT) são um ponto de partida. Você começa com um tipo simplificado da teoria de campo conformal que se comporta da mesma maneira em pequenas e grandes distâncias, disse David Simmons-Duffin, um físico do IAS. Se estes tipos específicos de teorias de campo pudessem ser perfeitamente compreendidos, respostas a perguntas profundas poderão se tornar claras. “A ideia é que, se você entender os pés do elefante muito, muito bem, você pode interpolar e descobrir com todo o elefante se parece.”
Como muitos de seus colegas, Simmons-Duffin diz que ele é um teórico das cordas principalmente no sentido de que ele se tornou um termo genérico para qualquer um que faz física fundamental em lugares subdesenvolvidos. Ele está atualmente concentrando-se em um sistema físico que é descrito por uma teoria de campo conformal, mas não tem nada a ver com cordas. De fato, o sistema é a água no seu “ponto crítico”, onde a distinção entre gás e líquido desaparece. É interessante porque o comportamento da água no ponto crítico é um sistema emergente complicado que surge de algo mais simples. Como tal, poderia sugerir uma dinâmica por trás do surgimento de teorias quânticas de campo.
Beem concentra-se em teorias de campo supersimétricas, outro modelo de brinquedo, como os físicos chamam essas simplificações deliberadas. “Estamos focados em algumas características irrealistas para torná-las mais fáceis de lidar”, disse ele.
Modelos de brinquedos são ferramentas padrão na maioria dos tipos de pesquisa. Mas há sempre o medo de que o que se aprende a partir de um cenário simplificado não se aplica ao mundo real. “É como um pacto com o diabo”, disse Beem. “A teoria das cordas é um conjunto muito menos rigorosamente construído de idéias do que teoria quântica de campos, então você tem que estar disposto a relaxar seus padrões um pouco”, disse ele. “Mas você é recompensado por isso. “Isso lhe dá um bom e maior contexto no qual você irá trabalhar”
É o tipo de trabalho que faz com que pessoas como Sean Carroll, um físico teórico do Instituto de Tecnologia da Califórnia, saberem se o campo tem se desviado muito longe de suas primeiras ambições – para encontrar, se não uma “teoria de tudo”, pelo menos uma teoria da gravidade quântica. “Eles têm todos esses martelos e eles vão à procura de pregos.” Isso é bom, ele disse, mesmo reconhecendo que as gerações podem ser necessárias para desenvolver uma nova teoria da gravidade quântica. “Mas não isso não é bom se você esquecer que, em última instância, seu objetivo é descrever o mundo real.”
É uma pergunta que ele fez aos seus amigos. Por que eles estão investigando as teorias quânticas de campos detalhadamente? “O que é essa aspiração?”, Ele pergunta. Suas respostas são lógicas, diz ele, mas passos removidos do desenvolvimento de uma verdadeira descrição do nosso universo.
Em vez disso, ele está procurando uma maneira de “encontrar a gravidade dentro de mecânica quântica.” Um artigo que ele escreveu recentemente com colegas pretende tomar medidas exatamente sobre isso. Não envolve a teoria das cordas.
O amplo poder da teoria das cordas
Talvez o campo que ganhou a maioria do florescimento da teoria das cordas é própria matemática. Sentado em um banco ao lado do lago do IAS enquanto assistia a um passeio da garça azul nos juncos, Clay Córdova, um pesquisador de lá, explicou que certos problemas insolúveis em matemática foram resolvidos através da analogia das cordas. Por exemplo, quantas esferas poderiam caber dentro de um colector de Calabi-Yau – a forma dobrada complexa esperada para descrever a forma como o espaço-tempo é compactado? Os matemáticos ficaram na parede. Mas uma corda de duas dimensões pode se mover em torno de um espaço tão complexo. Com essa maleabilidade das cordas, pôde-se gerar novos conhecimentos, como um laço multidimensional matemático. Este foi o tipo de pensamento físico no qual Einstein ficou famoso: experiências de pensamento sobre cavalgar junto com um feixe de luz revelou o E = mc². A imaginação de uma queda de um prédio levou ao seu maior momento eureka de todos: A gravidade não é uma força; é uma propriedade do espaço-tempo.
Usando a intuição física oferecida pelas cordas, os físicos produziram uma poderosa fórmula para obter a resposta para a pergunta da esfera incorporada, e muito mais. “Eles têm utilizado, nessas fórmulas, ferramentas que os matemáticos não permitem”, disse Córdova. Com isso, após os teóricos das cordas encontrarem uma resposta, os matemáticos provaram-la em seus próprios termos. “Este é um tipo de experiência”, explicou. “É um experimento matemático interno.” A solução fibrosa não só era correta, ela levou a Campos matemáticos ganhadores de medalha. “Isso continua acontecendo”, disse ele.
A teoria das cordas também fez contribuições essenciais para a cosmologia. O papel que a teoria das cordas tem desempenhado na reflexão sobre mecanismos por trás da expansão inflacionária do universo – os momentos imediatamente após o Big Bang, onde os efeitos quânticos se reuniram com gravidade – é “surpreendentemente forte”, disse Silverstein, embora sem cordas estejam ligadas.
Ainda assim, Silverstein e seus colegas usaram a teoria das cordas para descobrir, entre outras coisas, maneiras de ver as assinaturas potencialmente observáveis de várias ideias inflacionárias. As mesmas idéias poderiam ter sido encontradas usando a teoria quântica de campos, disse ela, mas eles não estavam. “É muito mais natural na teoria das cordas, com sua estrutura extra.”
Modelos inflacionários se emaranham na teoria das cordas de várias maneiras, não menos do que é o multiverso – a ideia de que o nosso universo é um de uma série possíveis infinito de universos, cada um criado pelo mesmo mecanismo que gerou o nosso própria. Entre a teoria das cordas e da cosmologia, a ideia de uma paisagem infinita de universos possíveis não se tornava apenas aceitável, mesmo encarado por um grande número de físicos. O efeito de seleção, Silverstein disse, seria uma explicação muito natural parao porquê do nosso mundo ser do jeito que é: Em um universo muito diferente, não estaríamos aqui para contar a história.
Este efeito pode ser uma resposta a um grande problema que uma teoria das cordas supostamente resolveria. Como Gross colocou: “O que escolhe esta teoria em particular” – o modelo padrão – a partir da “infinidade de possibilidades infinitas?”
Silverstein acha que o efeito de seleção é realmente um bom argumento para a teoria das cordas. A paisagem infinita de universos possíveis pode estar diretamente ligada a “estrutura rica que encontramos na teoria das cordas”, disse ela – as inúmeras maneiras que o espaço-tempo multidimensional da teoria das cordas pode ser dobrado sobre si mesmo.
Construindo o Novo Atlas
No mínimo, a versão madura da teoria das cordas – com suas ferramentas matemáticas que permitem que os investigadores vejam os problemas de novas maneiras – tem proporcionado novos e poderosos métodos para ver como descrições aparentemente incompatíveis da natureza podem ambas estarem corretas. A descoberta de descrições duplas do mesmo fenômeno resume muito bem a história da física. Um século e meio atrás, James Clerk Maxwell viu que a eletricidade e o magnetismo eram dois lados da mesma moeda. A teoria quântica revelou a conexão entre partículas e ondas. Agora os físicos têm as cordas.
Em cosmologia, a teoria das cordas são “pacotes de modelos físicos que tornam as coisas fáceis de se pensar”, disse Silverstein. Pode demorar séculos para unir todos esses fios soltos para tecer um quadro coerente, mas jovens pesquisadores como Beem não estão incomodados. Sua geração nunca pensou que a teoria das cordas estava no caminho de resolver tudo. “Nós não estamos presos”, disse ele. “Não sinto que estamos à beira de conseguir resolver tudo, mas sei que cada dia que passa eu sei que dei um passo adiante em relação ao dia anterior. E então, presumivelmente, nós estamos chegando a algum lugar”
Stanford pensa nisso como um grande jogo de palavras cruzadas. “Não está terminado, mas como você começar a resolver, você pode dizer que é um quebra-cabeça válido”, disse ele. “Isso está passando por verificações de consistência o tempo todo”
Nima Arkani-Hamed, um físico do IAS, argumenta que este é o momento mais emocionante para a física teórica desde o desenvolvimento da mecânica quântica na década de 1920.
“Talvez não seja ainda possível captar o universo de uma forma facilmente definida, auto-suficiente, como um globo”, disse Dijkgraaf, sentando-se em uma das janelas do mesmo escritório onde trabalhou Robert Oppenheimer, na época que ele era chefe de Einstein, olhando por cima do vasto gramado na IAS, da lagoa e das madeiras na distância. Einstein, também, tentou e não conseguiu encontrar uma teoria de tudo, e isso não diminui em nada o seu gênio.
“Talvez a verdadeira imagem seja mais parecida com os mapas em um atlas, cada um oferecendo diferentes tipos de informação, cada irregular”, disse Dijkgraaf. “Usar o atlas vai exigir que a física seja fluente em muitas línguas, muitas abordagens, tudo ao mesmo tempo. Seu trabalho vai vir de várias direções diferentes, talvez as até mais distantes. “
Ele acha “totalmente desorientador” e também “fantástico”.
Arkani-Hamed acredita que estamos na mais excitante época da física desde que a mecânica quântica surgiu na década de 1920. Mas nada vai acontecer rapidamente. “Se você está animado sobre a responsabilidade de atacar as muitas questões da física, então você deve estar mesmo animado”, disse ele. “Mas se você quiser um bilhete para Estocolmo nos próximos 15 anos, então provavelmente não.”
Traduzido e adaptado de Quanta Magazine