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.
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