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Os cientistas querem conectar as forças fundamentais da natureza em uma Grande Teoria Unificada.
Os anos 1970 foi uma época inebriante na física de partículas. Novos aceleradores nos Estados Unidos e na Europa transformam partículas inesperadas que os teóricos tentam explicar e por sua vez previu novas partículas elementares que iriam por vir nos experimentos. O resultado foi o Modelo Padrão de partículas e interações, uma teoria que é, essencialmente, um catálogo dos bits fundamentais da matéria e as forças que os regem.
Enquanto o Modelo Padrão é uma boa descrição do mundo subatômico, alguns aspectos importantes - como partículas e suas massas - saíram de experimentos ao invés de teorias.
"Se você notar, o Modelo Padrão, francamente é uma bagunça", diz John Ellis, um físico de partículas do Kings College London. "Você tem um monte de parâmetros, e todos eles parecem arbitrários. Você não pode me convencer de que é a teoria final! "
A ideia seria criar uma grande teoria unificada, ou GUT, que elegantemente explicar como o universo funciona, ligando três das quatro forças conhecidas juntas. Os físicos primeiramente ligaram a força eletromagnética, que determina a estrutura dos átomos e o comportamento da luz e a força nuclear fraca, que está na base como as partículas de decaimento.
Mas eles não pararam por aí. Os cientistas começaram a trabalhar para vincular essa teoria eletrofraca com a força forte, que liga quarks para formar coisas como os prótons e nêutrons em nossos átomos. (A quarta força que conhecemos, a gravidade, não tem uma teoria quântica completa, por isso é relegada ao reino das Teorias de Tudo, ou, do inglês, Theories of Everthyng - ToE's )
A ligação entre as diferentes forças em uma única teoria não é fácil, uma vez que cada uma se comporta de maneira diferente. O Eletromagnetismo é uma força de longo alcance, a força fraca é de curta distância, e a força forte é fraao em ambientes de alta energia, como no universo primordial e forte, onde a energia é baixa. Para unificar essas três forças, os cientistas têm de explicar como elas podem ser aspectos de uma única coisa e ainda manifestar-se em formas radicalmente diferentes no mundo real.
A teoria eletrofraca unificada das forças eletromagnética e fraca, propõe que aspectos de uma única interação que está presente apenas em altas energias, como em um acelerador de partículas ou muito cedo universo. Acima de um determinado limiar conhecido como a escala eletrofraca, não há diferença entre as duas forças, mas a unidade é quebrada quando a energia cai abaixo de um certo ponto.
Os GUTs desenvolvidas em meados da década de 1970 para incorporar a força forte previu novas partículas, assim como a teoria eletrofraca fez antes. Na verdade, a primeira GUT mostrou uma relação entre as massas das partículas que permitiram físicos fazerem previsões sobre a partícula mais pesado antes de ter sido detectada experimentalmente.
"Calculamos a massa do quark bottom antes de ser descoberto", disse Mary Gaillard, um físico de partículas da Universidade da Califórnia, Berkeley. Os cientistas do Fermilab viriam a encontrar a partícula em 1977.
GUTs também previu que os prótons deve decair em partículas mais leves. Havia apenas um problema: Experimentos não viram esse decaimento.
O problema com prótons
A GUT previu que todos os quarks poderiam potencialmente mudar em partículas mais leves, incluindo os quarks que formam os prótons. Na verdade, a GUT disse que prótons seria instáveis durante um período muito mais do que o tempo de vida do universo. Para maximizar as chances de ver esse decaimento de prótons raros, os físicos precisaram construir detectores com muitos átomos.
No entanto, o primeiro experimento de Kamiokande no Japão não detectou qualquer decaimento de prótons, que significava uma vida de prótons mais curta do que o previsto pela teoria do GUT mais simplória. O GUT surgiu com tempos de vidas mais previstas para prótons – assim como interações mais complicadas e partículas adicionais.
GUT's mais modernas se misturam em Supersimetria (SUSY), uma forma de pensar sobre a estrutura do espaço-tempo que tem profundas implicações para a física de partículas. SUSY usa interações extras para ajustar a força das três forças no modelo padrão, para que eles se encontrem em uma energia muito alta, conhecida como a escala das GUT's.
"A Supersimetria dá mais partículas envolvidas através de efeitos quânticos virtuais no decaimento do próton," diz JoAnne Hewett, um físico do departamento de energia do SLAC National Accelerator Laboratory. Ela estende a vida útil prevista do próton além do que experiências anteriores foram capazes de testar. Ainda baseadas na SUSY, a GUT também teve alguns problemas.
"Eles são meio bagunçadas", disse Gaillard. Particularmente, estas teorias prevêem mais partículas Higgs e o bóson de Higgs do modelo padrão deve se comportar de maneiras diferentes. Por essa razão, Gaillard e outros físicos são menos apaixonados com a GUT do que eram na década de 1970 e 80. Para piorar a situação, nenhuma partícula supersimétrica foi encontrada ainda. Mas a caçada continua.
"A base filosófica que impulsionou a grande unificação ainda não morreu, e é tão importante quanto nunca," diz Ellis. "Eu ainda amo a Suzy, e também estou apaixonado com a GUT"
Hewett concorda que a GUT ainda não está morta.
"Acredito firmemente que uma observação de decaimento do próton afetaria como cada pessoa iria pensar sobre o mundo", diz ela. "Todo mundo poderia entender que somos feitos de prótons e' Oh uau!' Eles decaem!'"
Experiências recentes como o Hyper-K propostas no Japão e o experimento de Neutrino subterrâneo profundo nos Estados Unidos serão a sonda de decaimento de prótons de maior precisão do que nunca. Ver um decaimento de prótons nos dirá algo sobre a unificação das forças da natureza, e se nós, finalmente, poderemos confiar em nossas entranhas.
Traduzido e adaptado de Symmetry Magazine
Hawking não é o único cientista que pensa assim. A teoria de um juízo final do bóson de Higgs, onde uma flutuação quântica cria um criar uma "bolha" de vácuo que se expandirá pelo espaço e apagará o universo, já existe há algum tempo. No entanto, os cientistas não acham que isso possa acontecer a qualquer momento em breve.
"O mais provável é que vai demorar de 10 elevado a 100 anos [1 seguido de 100 zeros] para que isso aconteça, então provavelmente você não deve vender a sua casa e você deve continuar a pagar seus impostos", disse Joseph Lykken, físico teórico do Fermi National Accelerator Laboratory, em Batavia, Illinois, durante sua palestra no Instituto SETI em setembro. "Por outro lado, se acontecer, a bolha pode estar a caminho daqui agora. E você não vai saber pois ela virá à velocidade da luz, então não vai existir qualquer aviso."
O bóson de Higgs, por vezes referido como a "partícula de Deus", para grande desgosto de cientistas que preferem o nome oficial, é uma pequena partícula que os pesquisadores há muito suspeitavam existissem. Sua descoberta dá forte apoio para o modelo padrão da física de partículas, ou as regras conhecidas da física de partículas que os cientistas acreditam que governam os blocos básicos da matéria. O bóson de Higgs é tão importante para o Modelo Padrão porque sinaliza a existência do campo de Higgs, um campo de energia invisível presente em todo o universo que imbui outras partículas com massa. Desde a sua descoberta, há dois anos, a partícula mexeu com toda na comunidade física.
Agora que os cientistas mediram a massa da partícula no ano passado, eles podem fazer muitos outros cálculos, incluindo um que parece soletrar o fim do universo.
O apocalipse do Universo
O bóson de Higgs tem cerca de 126 bilhões de elétron-volts, ou cerca de 126 vezes a massa de um próton. Esta acaba por ser a massa exata necessária para manter o universo à beira da instabilidade, mas os físicos dizem que o delicado estado acabará por entrar em colapso e o universo se tornará instável. Esta conclusão envolve o campo de Higgs.
O campo de Higgs surgiu com o nascimento do universo e tem atuado como sua própria fonte de energia, desde então, disse Lykken. Os físicos acreditam que o campo de Higgs pode ter mudando lentamente enquanto tentava encontrar um equilíbrio entre a força do campo e energia necessária para manter essa força.
"Assim, a matéria pode existir como líquido ou sólido, de modo que o campo de Higgs, a substância que preenche todo o espaço-tempo, poderia existir em dois estados," explicou Gian Giudice, um físico teórico no laboratório CERN, onde o bóson de Higgs foi descoberta, durante uma palestra no TED em outubro de 2013.
Neste momento, o campo de Higgs está em um estado mínimo de energia potencial - como um vale em um campo de montes e vales. A enorme quantidade de energia necessária para mudar para outro estado é como atravessar/subir uma colina. Se o campo de Higgs faz com que a colina seja feita de energia, alguns físicos acham que a destruição do universo está esperando do outro lado.
Mas uma flutuação quântica, ou uma mudança de energia, poderia desencadear um processo chamado "tunelamento quântico." Em vez de ter de subir a colina de energia, tunelamento quântico seria possível para o campo de Higgs "túnelar" através da colina para a próxima, com menor consumo de energia. Esta flutuação quântica vai acontecer em algum lugar no vácuo do espaço vazio entre as galáxias, e irá criar uma "bolha", disse Lykken.
Veja como Hawking descreve este cenário apocalíptico do Higgs no novo livro: "O potencial de Higgs tem a característica preocupante que pode tornar-se metaestável em energias acima de 100 [bilhões] giga elétron-volts (GeV) ... Isto poderia significar que o universo poderia sofrer deterioração catastrófica do vácuo, com uma bolha de vácuo se expandindo a velocidade da luz. Isso pode acontecer a qualquer momento e nós não a veremos chegando."
O campo de Higgs dentro dessa bolha será mais forte e tem um nível de energia mais baixo do que os seus arredores. Mesmo que o campo de Higgs dentro da bolha fosse ligeiramente mais forte do que é agora, ele poderia encolher átomos, desintegrar os núcleos atômicos, e fazê-lo assim que o hidrogênio seria o único elemento que poderia existir no universo, Giudice explicou em sua palestra TED.
Mas o uso de um cálculo que envolve a massa atualmente conhecida do bóson de Higgs, pesquisadores prevêem essa bolha iria conter um campo de Higgs ultra-fortes que iria expandir na velocidade da luz através do espaço-tempo. A expansão seria imparável e iria acabar com tudo no universo existente, disse Lykken.
"Mais interessante para nós como físicos é quando você faz este cálculo usando o padrão da física que conhecemos, verifica-se que estamos no limite entre um universo estável e um universo instável", disse Lykken. "Estamos numa espécie de lugar certo na borda onde o universo pode durar por um longo tempo, mas eventualmente ele deverá "crescer".
Nem tudo é tristeza e melancolia
Ou tudo no espaço-tempo existe na borda deste navalha entre um universo estável e instável, ou o cálculo está errado, disse Lykken.
Se o cálculo está errado, ele deve vir de uma parte fundamental da física que os cientistas ainda não descobriram. Lykken disse que uma possibilidade é a existência de invisível de matéria escura que os físicos acreditam compor cerca de 27 por cento do universo. Descobrir como a matéria escura interage com o resto do universo poderia revelar propriedades e regras que os físicos não conhecem ainda.
A outra é a ideia de "supersimetria". No Modelo Padrão, cada partícula tem um parceiro, ou o sua própria anti-partícula. Mas a supersimetria é uma teoria que sugere que cada partícula tem também uma partícula parceiro supersimétrica. A existência dessas outras partículas ajudaria a estabilizar o universo, disse Lykken.
"Nós encontramos o bóson de Higgs, que foi um grande negócio, mas nós ainda estamos tentando entender o que isso significa e também estamos tentando entender todas as outras coisas que vão junto com ela."
"Isso é só começo da história e eu mostrei-lhe algumas indicações que essa história poderia prosseguir, mas acho que poderia haver surpresas que ninguém tenha sequer pensado," concluiu Lykken em sua palestra.
Traduzido e adaptado de LiveScience
Traduzido e adaptado de LiveScience
Duas principais candidatas para uma "teoria de tudo", consideradas incompatíveis, podem ser dois lados da mesma moeda.
Oito décadas se passaram desde que os físicos perceberam que as teorias da mecânica quântica e da gravidade não se encaixam, e o quebra-cabeça de como combiná-las permanece sem solução. Nas últimas décadas, os pesquisadores têm buscado o problema em dois programas distintos - a teoria das cordas e a gravitação quântica em loop - que são amplamente consideradas incompatíveis por seus praticantes. Mas agora, alguns cientistas argumentam que a união de forças é o caminho a seguir.
Entre as tentativas de unificar as teorias quântica e gravitacional, a teoria das cordas tem atraído a maior atenção. Sua premissa é simples: Tudo é feito de minúsculas cordas. As cordas podem ser fechadas em si mesmas ou terem pontas soltas; elas podem estar submetidas a processos como vibrar, esticar, juntar ou dividir. E, nessas múltiplas aparições, encontram-se as explicações para diversos fenômenos que observamos, tanto de matéria e espaço-tempo incluído.
A gravitação quântica em loop, por outro lado, está preocupada menos com o assunto que habita o espaço-tempo do que com as propriedades quânticas deste. Na gravidade quântica em loop, ou LQG, o espaço-tempo é uma rede. O fundo liso da teoria da gravidade de Einstein é substituído por nós e links para que propriedades quânticas são atribuídos à teoria. Desta forma, o espaço é construído de pedaços discretos. A LQG é, em grande parte, um estudo desses pedaços.
Esta abordagem tem sido pensada incompatível com a teoria das cordas. Na verdade, as diferenças conceituais são óbvias e profundas. Para começar, a LQG estuda bits de espaço-tempo, enquanto que a teoria das cordas investiga o comportamento de objetos dentro do espaço-tempo. Problemas técnicos específicos separam os campos. Dessa forma, a teoria das cordas requer que o espaço-tempo tenha 10 dimensões enquanto o LQG não funciona em dimensões superiores. A teoria das cordas também implica na existência de supersimetria, em que todas as partículas conhecidas têm parceiras ainda não detectadas. A Supersimetria não é uma característica da LQG.
Estas e outras diferenças têm dividido a comunidade física teórica em campos profundamente divergentes. "Conferências têm segregado", disse Jorge Pullin, físico da Universidade Estadual da Louisiana e co-autor de um livro didático da LQG. "As pessoas 'Loopy' vão para conferências 'Loopy'. Pessoas 'Stringy' vão para conferência das cordas. Eles nem sequer vão a conferências de 'física' de qualquer maneira. Eu acho que é lamentável que isso tenha se desenvolvido desta maneira."
Mas, um número de fatores pode aproximar estes campos. Novas descobertas teóricas revelaram potenciais semelhanças entre a LQG e a teoria das cordas. A jovem geração de teóricos das cordas começou a olhar esta teoria fora de métodos e ferramentas úteis para criar uma "teoria de tudo". E um paradoxo bruto envolvendo buracos negros e perda de informações tem dado a todos uma nova dose de modéstia.
Além disso, na ausência de evidência experimental para qualquer teoria das cordas ou LQG, a prova matemática de que as duas estão, de fato, em lados opostos de uma mesma moeda, reforçará o argumento de que os físicos estão progredindo em direção a teoria mais adequada de tudo. Combinar a LQG e a teoria das cordas seria realmente torná-las o único jogo na cidade.
Uma ligação inesperada
Um esforço para resolver alguns dos problemas internos do LQG levou à primeira ligação surpreendente com a teoria das cordas. Os físicos que estudam LQG não têm uma compreensão clara de como diminuir o zoom de sua rede de pedaços do espaço-tempo e chegar a uma descrição de grande escala do mesmo que se encaixe com a teoria geral da relatividade de Einstein - a nossa melhor teoria da gravidade. Mais preocupante ainda, a sua teoria não pode conciliar o caso especial em que a gravidade pode ser negligenciada. É um mal-estar que se abate sobre qualquer abordagem dependente da robustez do espaço-tempo: Na teoria da relatividade especial de Einstein, um objeto aparece contraído dependendo de quão rápido um observador se mova em relação a ele. Esta contração também afeta o tamanho dos pedaços de espaço-tempo, que, depois, são percebidos de forma diferente pelos observadores com velocidades diferentes. A discrepância leva a problemas com o princípio central da teoria de Einstein - que as leis da física devem ser as mesmas, não importa a velocidade do observador.
"É difícil introduzir estruturas discretas sem correr em dificuldades com a relatividade especial", disse Pullin. Em seu breve artigo escrito em 2014, com o colaborador freqüente Rodolfo Gambini, (físico da Universidade da República, em Montevidéu, Uruguai), Pullin argumentou que fazer a LQG compatível com a relatividade especial requer interações que são semelhantes às encontradas na teoria das cordas.
As duas abordagens têm algo em comum e parecia propensa para Pullin, desde a descoberta seminal no final de 1990 por Juan Maldacena, (físico do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, NJ Maldacena). Maldacena combinou a uma teoria gravitacional chamada de espaço-tempo anti-de Sitter (AdS) com uma teoria de campo (CFT - o "C" é para "conformado") no limite do espaço-tempo. Ao usar essa identificação AdS / CFT, a teoria gravitacional passa a ser descrita por um melhor entendimento da teoria de campo.
A versão completa da dualidade é uma conjectura, mas tem um caso limite bem entendido em que a teoria das cordas não desempenha nenhum papel. Uma vez que cordas não importam neste caso limite, deve ser partilhado por qualquer teoria da gravidade quântica. Pullin vê isso como um ponto de contato.
Herman Verlinde, (físico teórico da Universidade de Princeton que frequentemente trabalha na teoria das cordas), acha plausível que os métodos de LQG podam ajudar a iluminar o lado da gravidade da dualidade. Em um artigo recente, Verlinde observou AdS / CFT em um modelo simplificado com apenas duas dimensões do espaço e uma de tempo, ou "2 + 1" como dizem os físicos. Constatou então que o espaço de anúncios pode ser descritos por uma rede, como aquelas usadas em LQG, mesmo que a construção atualmente só funcione no 2 + 1, oferecendo uma nova maneira de pensar sobre a gravidade. Verlinde espera generalizar o modelo de dimensões superiores. " A Gravidade quântica em loop foi vista muito restritiva. Minha abordagem é inclusiva." disse ele.
Mas, mesmo tendo métodos LQG combinados com sucesso à teoria das cordas para avançar no espaço anti-de Sitter, a questão permanece: Quão útil é essa combinação? Espaços-tempo Anti-de Sitter têm uma constante cosmológica negativa (um número que descreve a geometria em grande escala do universo); nosso universo tem uma forma positiva. Nós apenas não habitamos a construção matemática que é o espaço AdS.
Verlinde é pragmático. "Uma idéia é que [para uma constante cosmológica positiva] é necessária uma nova teoria", disse ele. "Então, a questão é: quão diferente que a teoria irá se parecer?. AdS é, no momento, a melhor dica para a estrutura que estamos procurando, e então temos que encontrar o toque para obter uma constante cosmológica positiva "Ele acha que é tempo bem gasto". Embora [AdS] não descreva o nosso mundo, nos ensinará lições que nos guiem para onde ir ".
Indo juntas para um Buraco Negro
Tanto Verlinde quanto Pullin apontam uma oportunidade para a teoria das cordas e a gravitação quântica em loop se unirem: o destino misterioso de informação que cai em um buraco negro. Em 2012, quatro pesquisadores, da Universidade da Califórnia, Santa Barbara, destacaram uma contradição interna na teoria predominante. Argumentaram que a exigência de um buraco negro para deixar informações fugirem iria destruir a estrutura delicada do espaço vazio em torno horizonte deste, criando assim uma barreira altamente energética - o "Firewall" do buraco negro. Este firewall, no entanto, é incompatível com o princípio da equivalência que subjaz à relatividade geral, que sustenta que os observadores não pode cruzar o horizonte de eventos. Esta incompatibilidade irritou os teóricos das cordas, por pensarem que entenderiam as informações buraco negro e agora deverão rever suas pranchetas.
Mas este não é um dilema apenas para os teóricos das cordas. "Toda essa discussão sobre os firewalls de buracos negros ocorreu principalmente dentro da comunidade da teoria das cordas, o que eu não entendo", disse Verlinde. "Estas perguntas sobre informação quântica e emaranhamento, e como construir um espaço tempo [matemático] de Hilbert - que é exatamente o que as pessoas na gravidade quântica em loop têm vindo trabalhando há muito tempo."
Enquanto isso, em um desenvolvimento que passou despercebido por grande parte da comunidade das cordas, a barreira já representou dimensões extras e supersimetria e isso se está adequado aos modelos teóricos. Um grupo em torno de Thomas Thiemann (Universidade Friedrich-Alexander em Erlangen, Alemanha), prorrogou a LQG para dimensões maiores e incluiu a supersimetria, (tanto dos quais confuso, mais uma vez o mor juste) foram anteriormente o território da teoria das cordas.
Mais recentemente, Norbert Bodendorfer, (ex-aluno de Thiemann, atualmente na Universidade de Varsóvia), aplicou métodos de quantização em loop da LQG para espaço anti-de Sitter. Ele argumenta que LQG pode ser útil para a dualidade AdS/CFT em situações em que os teóricos das cordas não sabem como executar cálculos gravitacionais. Bodendorfer propõe que o antigo abismo entre a teoria das cordas e LQG está desaparecendo. "Em algumas ocasiões eu tive a impressão de que os teóricos das cordas sabiam muito pouco sobre LQG e não queriam falar sobre isso", disse ele. "Mas [a] as pessoas mais jovens na teoria das cordas têm mentes abertas. Eles estão muito interessados o que está acontecendo na interface. "
"A maior diferença está em como definimos nossas perguntas", disse Verlinde. "É mais sociológica do que científica, infelizmente." Ele não acha que as duas abordagens sejam conflitantes : "Eu sempre vi [a teoria das cordas e gravidade quântica em loop] como partes da mesma descrição. LQG é um método, não é uma teoria. É um método de pensar em mecânica quântica e geometria. É um método que os teóricos das cordas podem usar e estão realmente usando. Essas coisas não são incompatíveis. "
Nem todo mundo está tão convencido. Moshe Rozali, (teórico das cordas da Universidade de British Columbia), permanece cético em relação a LQG: "A razão pela qual eu pessoalmente não trabalho em LQG é a questão com a relatividade especial", disse ele. "Se a sua abordagem não respeitar as simetrias da relatividade especial, desde o início, então você basicamente precisa de um milagre para acontecer em um de seus passos intermediários." Ainda assim, Rozali afirma que algumas das ferramentas matemáticas desenvolvidas na LQG podem ser funcionais. "Eu não acho que há alguma probabilidade de que a teoria das cordas e a LQG vão convergir para um meio-termo", disse ele. "Mas os métodos são o que as pessoas normalmente se preocupam, e estes são semelhantes o suficiente; os métodos matemáticos podem ter alguma sobreposição. "
Nem todos que defendem a LQG esperam que as duas teorias irão se fundir um dia. Carlo Rovelli, (físico da Universidade de Marselha, um dos fundadores da LQG), defende seu campo ascendente. "O mundo das cordas é infinitamente menos arrogante do que há dez anos, especialmente depois da amarga decepção do não-aparecimento de partículas supersimétricas", disse ele. "É possível que as duas teorias possam ser partes de uma solução comum ... mas eu me acho que é improvável. A teoria das cordas parece-me que não conseguiu entregar o que havia prometido nos anos 80, e é uma das muitas "boa-ideia-mas-a-natureza-não-era-assim" que marcam a história da ciência. Eu realmente não entendo como as pessoas podem ainda ter esperança nela. "
Para Pullin, declarar a vitória parece prematuro: "Há pessoas da LQG agora dizendo: 'Nós somos o único jogo na cidade." Eu não concordo com essa forma de argumentar. Eu acho que ambas as teorias são muito incompletas. "
Traduzido e adaptado de Quanta Magazine
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
Definição:
Supersimetria (abreviatura comunente - SUZY) é um tipo especial de simetria na física, o que implica que há uma correspondência, em um nível fundamental, entre férmions e bósons. Cada tipo de partícula está relacionada, de acordo com o supersimetria, com um "superparceira". As estruturas matemáticas no coração da supersimetria foram descobertas por vários físicos (em ambos os lados da cortina de ferro), durante o final dos anos 1960 e no início dos anos 1970, incluindo aplicações de Teoria das Cordas.
Hoje, a supersimetria é geralmente falada (pelo menos por não-físicos) em relação à teoria das cordas, pois elimina muitas das complicações teóricas e matemáticas da teoria. Na verdade, o nome completo da teoria das cordas é na verdade "Teoria das Supercordas" que é a abreviação de "Teoria Supersimétrica das Cordas."
Neste momento, temos provas claras experimentais que provam conclusivamente que a supersimetria é verdade. A evidência mais óbvia que os físicos esperam seria a descoberta de um superparceira para um parceira existente.
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| Para cada partícula fundamental existe uma partícula supersimétrica ou superparceira. O Bóson de Higgs, por exemplo, possui a superparceira Higgsino. |
Convenções de nomenclatura da supersimetria
A nomeação dos superparceiros é um pouco incomum, pois os diferentes tipos de superparceiros têm diferentes tipos de prefixos e sufixos adicionados para indicar sua relação com as partículas conhecidas.
Se a partícula é um bóson, então o superparceiro é nomeado, adicionando um "-ino" no fim. Se a supersimetria for verdadeira, por exemplo, o fóton (um bóson) deve ter um Fotino relacionado que é um férmion.
Os férmions, no entanto, têm superparceiros que são nomeados, colocando um prefixo "s-" para o prazo.
Assim, o elétron (um férmion) tem um superparceiro chamado um selectron, que é um bóson.
Há apenas uma evidência indireta para a existência de supersimetria, principalmente sob a forma de provas que calibram o acoplamento unificação. A confirmação direta implicaria produção de superparceiros em experimentos em aceleradores de partículas, como no Large Hadron Collider.
Os resultados da primeira execução do LHC são coerentes com o Modelo Padrão, e, portanto, têm definidos limites para modelos supersimétricos, levando alguns físicos a se apoiaram a explorar outras idéias. A segunda corrida do LHC será retomada e focará a supersimetria, e outros fatores da nova física, em energias mais elevadas a partir deste ano (2015). [1] [2]
Referências:
About Physics
[1]
- Gordon L. Kane, The Dawn of Physics Beyond the Standard Model, Scientific American, June 2003, page 60 and The frontiers of physics, special edition, Vol 15, #3, page 8 "Indirect evidence for supersymmetry comes from the extrapolation of interactions to high energies."
[2]
- Wolchover, Natalie (November 20, 2012). "Supersymmetry Fails Test, Forcing Physics to Seek New Ideas". 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
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