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A vida, o universo e tudo mais.
Um objetivo central que os físicos modernos compartilham é encontrar uma única teoria que pode explicar o Universo inteiro e unir as forças da natureza.
O modelo padrão, por exemplo, deixa a matéria escura, a energia escura, e até mesmo a gravidade fora da imagem - o que significa que ele realmente representa apenas uma percentagem muito pequena do que compõe o Universo.
A teoria das cordas costura a concepção da teoria geral da relatividade de Einstein, juntamente com a mecânica quântica e o resultado é a teoria quântica aplicada à gravidade.
Esta aplicação permite-nos quebrar o universo além do nível de partículas subatômicas em cordas vibrantes cujas interações e vibrações compõem o universo.
Em outras palavras, toda a matéria é composta de átomos, e todos os átomos são compostos de elétrons, nêutrons e prótons - e estes podem ser ainda desagregados em quarks.
Quarks são são constituídos por estas cordas dinâmicas, cujos movimentos no espaço são a chave para entender o Universo, explicou Michio Kaku, um físico do City College de Nova York.
Kaku é o co-fundador da teoria do campo de cadeia (um ramo da teoria das cordas). Ele explica abaixo do que a teoria das cordas é, e como ele funciona (ative as legendas).
Boas vibrações
Em uma entrevista ao Big Think, Kaku explica a teoria das cordas desta forma: o modelo padrão da física, incluindo o bóson de Higgs, representa a oitava mais baixa de uma corda vibrante.
A matéria escura, que compõe cerca de 23 por cento do Universo, é a próxima acima da vibração.
A energia escura acontece quando as simetrias da cadeia estão quebradas, e compreende cerca de 68 por cento do Universo.
Assim, de acordo com a teoria das cordas, cada corda em vibração corresponde a uma partícula diferente, e há quase certamente mais dimensões para o universo do que as quatro que nós pensamos que ele seja representado.
A teoria das cordas é a única neste momento porque, como Kaku apontou, é um dos únicos que realmente tem o potencial de ser uma Teoria de Tudo.
- Quantas dimensões existem? Explicando a Teoria das Cordas
- Em busca de Teoria de Tudo - O que é Gravitação Quântica?
Traduzido e adaptado de Science Alert
Cosmologia é o ramo da Astronomia que envolve a origem e evolução do universo, desde o Big Bang ao presente futuro, até o futuro. De acordo com a NASA, a definição de cosmologia é “o estudo científico das propriedades de grande escala do universo como um todo".
Os cosmólogos debruçam-se sobre conceitos exóticos tal como a Teoria das Cordas, a Matéria Escura ou se, de fato, há somente um Universo ou muitos outros (Teoria do Multiverso). Ao passo de que a astronomia lida com outros aspectos do estudo do Cosmos, tal como objetos individuais (estrelas, exoplanetas, nebulosas), fenômenos e coleções de objetos (aglomerados, galáxias), a Cosmologia se estende por todo o universo, desde seu nascimento até sua morte, acumulando inúmeros novos mistérios a cada passo dado.
Captura Instantânea de uma simulação em computador da formação de estruturas de grande escala do universo, mostrando um pedaço de 100 milhões de anos-luz e os movimentos resultantes de galáxias que fluem em direção à maior concentração de massa no centro. Crédito: ESO
História da Cosmologia & Astronomia
A compreensão da humanidade sobre o Universo evoluiu significantemente ao longo do tempo. No início da história da astronomia, a Terra fora considerada o centro de todas as coisas, com planetas e estrelas orbitando-a. No século XVI, o cientista polonês Nicolau Copérnico sugeriu que a Terra e os outros planetas do Sistema Solar, de fato, orbitavam o Sol, criando uma profunda mudança (Modelo Heliocêntrico) na compreensão do Cosmos. No final do século XVII, Isaac Newton calculou como a força entre os planetas – especificamente as forças gravitacionais – interagiam umas com as outras.
O despontar do século XX trouxe novas perspectivas no intuito de compreender melhor o universo. Albert Einstein propôs a unificação do tempo e do espaço na sua famosa Teoria da Relatividade Geral. No início de 1900, os cientistas estavam debatendo se a Via Láctea continha todo o Universo dentro da sua extensão, ou se ela era simplesmente uma de muitas outras ‘coleções de estrelas’. Edwin Hubble calculou a distância de uma longínqua nebulosa difusa no céu e determinou que ela estava fora dos domínios da Via Láctea, provando que nossa galáxia tratava-se apenas de uma pequena gota em um oceano muito maior do que o imaginado, composto por outras bilhões e bilhões de outras galáxias espaço afora. Usando a Relatividade Geral para comprovar sua teoria, Hubble mediu diversas galáxias e determinou que elas estavam se afastando de nós, levando-o a concluir que o universo não era estático, mas que estava e está em expansão.
Nas últimas décadas, o cosmólogo Stephen Hawking determinou que o Universo em si não é infinito, mas possui um tamanho definível. No entanto, esse tamanho nunca fora medido com exatidão. É algo similar à uma pessoa viajando em torno da Terra; embora o planeta seja finito, ela nunca encontrará seu “fim”, mas, ao invés disso, constantemente circundará o globo. Hawking também propôs que o Universo não poderia continuar ‘para sempre’, mas acabaria por, um dia, terminar.
Alguns pesquisadores acreditam que os padrões de anéis concêntricos em medições da radiação cósmica de fundo são evidência de um universo que existia antes de nosso próprio nascer no Big Bang. Crédito: Roger Penrose e Vahe Gurzadyan
Questões Cosmológicas Comuns
1. O Que Veio Antes do Big Bang?
Devido à natureza fechada e finita do universo, não podemos ver o que há “fora” do nosso próprio universo. O espaço e o tempo começaram com o Big Bang. Embora haja uma série de especulações sobre a existência de outros universos, não há uma maneira prática de observá-los, e como tal nunca haverá qualquer evidência que comprove (ou renegue) sua(s) existência(s).
2. Onde Surgiu o Big Bang?
O Big Bang não aconteceu em um único ponto, mas em vez disso, em todos os lugares do universo, dado que o aparecimento do espaço (e do tempo) ocorreu logo após a "grande explosão", de uma só vez.
3. Se as outras galáxias estão se afastando de nós, isso não nos colocaria no centro do universo?
Não, porque se tivéssemos de viajar para uma galáxia distante, pareceria que todas as galáxias vizinhas similarmente estariam se afastando. Pense no universo como um balão gigante. Se você marcar vários pontos sobre o balão, em seguida, enchê-lo, notará que cada ponto se afasta uns dos outros, embora nenhum deles esteja num ‘centro’. A expansão universal funciona da mesma forma. Não há um centro em especial. Todas as galáxias podem ser consideraras os centros.
4. Quão Velho é o Universo?
O universo tem 13,8 bilhões de anos, com uma margem de cem milhões de anos pra mais ou pra menos.
5. O Universo Vai Acabar? Se sim, como?
[Resposta Aqui, jovem Padawan].
6. Quem veio primeiro: as galáxias ou as estrelas?
O Universo pós-Big Bang era composto predominantemente por hidrogênio, com um pouco de hélio jogado em boa medida. A gravidade causou o colapso do hidrogênio, formando estruturas. Contudo, os astrônomos não têm certeza se as primeiras bolhas de matéria formaram estrelas individuais que depois se juntaram pela gravidade, formando galáxias, ou se montantes colossais de elementos do tamanho de galáxias mais tarde formaram as estrelas...
Traduzido e adaptado de [SPACE]
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
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
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
Grávitons são minúsculas partículas que carregam a "força" da gravidade. São eles que trazem você de volta para a Terra quando você pula. Então, por que nós nunca vemos eles, e por que eles são tão incrivelmente complicados e necessitamos da teoria das cordas para entendê-los? Descubra aqui!
Fótons, Glúons, e Grávitons
A luz flui para nós na forma de ondas. As pessoas sabem disso há algum tempo. O fato de que a luz também é uma partícula deu a todos um choque, mas nós nos ajustamos a esse fato. O que muitas vezes é deixado de fora da história é o fato de que a luz não é apenas uma maneira de dar sentido e função aos nossos olhos. Fótons não são apenas as partículas que batem nas nossas retinas. Eles são as partículas (sem massa) que fazem o trabalho que nos dá uma outra força bem estudada - o eletromagnetismo.
A física quântica nos diz que, quando um fóton de uma energia precisa atinge um átomo, o elétron externo desse átomo salta para um nível acima. Quando o elétron volta para baixo, ele emite fótons novamente. Este processo descreve por que as coisas brilham. Ele também descreve também o motivo deles emitirem apenas determinadas cores, como o fóton tem de ser de uma energia precisa para fazer os elétrons saltarem, o que se traduz em um comprimento de onda preciso, que por sua vez se traduz para uma cor precisa. Quando olhamos mais profundamente neste processo, vemos fótons como eles realmente são. Eles são as partículas que empurram elétrons ao redor. Eles carregam a "força" eletromagnética.
Fótons não são as únicas partículas que carregam força. A força nuclear forte, que une os prótons no núcleo atômico, é transportada pelo glúon, ou "cola" em inglês, apropriadamente falando.
O que chamamos de "força" ao nível macro parece ser transmitida por partículas no nível micro. O gráviton deve ser uma dessas partículas. O problema com grávitons - ou, mais precisamente, o primeiro de muitos problemas com grávitons - é que supostamente a gravidade não é uma força. A relatividade geral indica que a gravidade é uma distorção no espaço-tempo também prevê a possibilidade de ondas gravitacionais. É possível que essas ondas possam vir de determinados comprimentos de onda precisos, assim como os fótons, e estes podem ser grávitons.
Grávitons e Teoria das Cordas
Mesmo sem observar grávitons, os cientistas sabem algumas coisas sobre eles. Eles sabem - porque a gravidade é uma força com um alcance infinito - que grávitons não devem ter massa. Isso os coloca no time dos "bósons", na companhia de fótons e glúons. Os cientistas também sabem que grávitons tem um spin (giro) 2, o que os torna único entre as partículas. As propriedades combinadas significa que, se os cientistas forem capazes de definir um evento envolvendo uma misteriosa partícula sem massa e de spin 2, eles saberão que estarão olhando para um gráviton.
Este não é, no entanto, um problema importante. Para entender isso, vamos voltar para fótons e elétrons. Quando um elétron cai de um nível para outro, aparece um fóton. Quando os fótons decaem, ou não se movem, eles não produzem um segundo fóton. O movimento de elétrons produz fótons. O movimento dos fótons não produz mais fótons. Há momentos ocasionais quando os fótons podem fazer coisas estranhas. Eles podem dividir-se em pares de elétrons e pósitrons, que podem produzir mais fótons, e que então se recombinarem em um fóton novamente. Embora esta explosão de partículas possa ficar agitada, ela não produz uma ramificação de cadeia interminável de fótons. Devido a isso, interações de fótons e elétrons são renormalizáveis. Eles podem ficar estranhos, mas eles não podem se tornar intermináveis.
Grávitons não são tão mansos. Enquanto os fótons são gerados pelo movimento de elétrons, grávitons são criados por energia e massa. Grávitons não tem massa, mas eles carregam energia. Isso significa que um gráviton pode criar mais grávitons.
Como outras partículas quânticas, grávitons podem transportar uma grande quantidade de energia, ou impulso, quando confinado a um pequeno espaço. Dois grávitons estão em um pequeno espaço, um ao lado do outro. Uma enorme quantidade de energia faz com que o gráviton recém-criado crie mais um gráviton. Este ciclo interminável de produção faz os grávitons renormalizáveis.
A teoria das cordas é invocado nestas situações porque grávitons renormalizáveis são como pontos. Cordas são mais longas do que os pontos, e assim a criação de gravitão fibrosos não é tão limitada no tempo e no espaço. Esse pouco de espaço mantém a criação de um gráviton tão enérgico que exige a criação de um outro gráviton, e faz com que a teoria seja renormalizável também.
Como podemos encontrar Grávitons?
Há instalações que buscam ondas gravitacionais, mas o lugar mais promissor para encontrar um gráviton é o Large Hadron Collider. O CERN estaria procurando algo que não está lá. As colisões entre partículas precisam ser equilibradas. Ao examinar uma colisão e os seus resultados, todo o momentum, a massa, energia e rotação precisam ser contabilizados.
Para complicar a questão, existe uma possibilidade de que grávitons podem estar enrolados em outras dimensões. Pode ser por isso que não temos sido capazes de vê-los até agora. O que os cientistas do CERN estariam procurando seria um buraco, em vez de um gráviton real. A energia e momentum equivaleria ao de um gráviton escapando - um gráviton que cintilou brevemente antes de ir para outras dimensões. Com certeza, o fato de que existem outras dimensões pode ofuscar a descoberta de grávitons, mas eles nunca quiseram glória, de qualquer maneira.
Gizmodo
Na teoria das cordas e teorias relacionadas, tais como teorias de supergravidade, a brana (abreviação para membrana) é um objeto físico que generaliza a noção de uma partícula pontual para dimensões mais elevadas. Por exemplo, uma partícula pontual pode ser vista como uma brana de dimensão zero, enquanto que uma corda pode ser vista como uma brana de uma dimensão. Também é possível considerar a membranas de dimensão superiores. Na dimensão p, elas são chamadas p-branas. A palavra "brana" vem da palavra "membrana", que se refere a uma membrana bidimensional.
Branas são objetos dinâmicos que podem se propagar através do espaço-tempo de acordo com as regras da mecânica quântica. Elas têm massa e pode ter outros atributos, como carga. A p-brana varre um volume (p + 1) dimensional no espaço-tempo chamado de volume-mundo. Os físicos muitas vezes estudam campos análogos ao campo eletromagnético, que vivem no volume-mundo de uma membrana.
Na teoria das cordas, D-branas são uma importante classe de branas que surgem quando se considera cordas abertas. Como uma corda aberta se propaga através do espaço-tempo, os seus pontos finais são obrigados deslizar sobre uma D-brana. A letra "D" no D-brana refere-se a uma certa condição matemática no sistema conhecido como a condição de contorno de Dirichlet. O estudo da D-branas na teoria das cordas tem levado a resultados importantes, como a correspondência AdS/CFT, que lançou luz sobre muitos problemas em teoria quântica de campos.
Duas D-branas se conectando através de uma corda aberta.
A teoria das cordas tem 9 dimensões espaciais, de modo que a membrana podem existir em qualquer lugar de 0 a 9 dimensões. Branas foram hipotetizadas como parte da teoria das cordas no final de 1980.
Branas são também frequentemente estudadas a partir de um ponto de vista puramente matemático, uma vez que estão relacionadas com temas como Simetria Espelho homologica e geometria não-comutativa. Matematicamente, membranas podem ser representadas como objetos de certas categorias, tais como a categoria derivada de feixes coerentes sobre um coletor de Calabi-Yau ou categoria Fukaya.
Em 1995, Joe Polchinski percebeu que proposta de Edward Witten da Teoria-M necessária a existência de branas.
Alguns físicos propuseram que nosso universo é de fato uma membrana (3 + 1) - dimensional (três dimensões de espaço +1 de tempo), em que estamos "presos" dentro de um espaço (10 + 1) -dimensional maior, e, devido a isso, não podemos perceber as dimensões extras. Outros físicos dizem que as dimensões extras são extremamente pequenas e estão recurvadas sobre si mesmas. Existem ainda hipóteses que nosso Universo pode ter sido originado na colisão de duas D-branas.
Ok, hora de explodir sua mente: Não há quarta dimensão.
E, por conta disso - não há terceira dimensão também. Antes de começar a gritar com o seu smartphone sobre como o Universo é composto de três dimensões, apenas se acalme e deixe o episódio de MinutePhysics abaixo explicar este equívoco bastante complicado. @Teoria das
Qualquer pessoa com um conhecimento básico de dimensões poderia dizer-lhe que um objeto com altura, largura e profundidade é tridimensional, e algo com altura, largura, mas sem profundidade - como um desenho em um pedaço de papel - é bidimensional.
O problema é que estas são características que podemos medir em objetos de duas e três dimensões, mas eles não são dimensões em si. Na realidade, não podemos realmente apontar as três dimensões espaciais de um objeto distante.
Henry de MinutePhysics explica o que isso significa, dando-lhe um jarro com três copos de água nele, e, em seguida, perguntado-lhe em qual parte está o primeiro copo na jarra. Nenhuma ideia? Que tal você apontar para o segundo copo, ou o terceiro. O que ??
Sim, essas perguntas não fazem o menor sentido, mas elas vão fazer se você adicionar uma xícara de óleo à mistura, porque o óleo se comporta de forma diferente na água. A jogada é que, agora que você tem três dimensões que se comportam da mesma maneira (os três copos de água que não podem ser separar) e um que se comporta de outra maneira (que uma xícara de óleo).
"Isso é o que queremos dizer quando dizemos que vivemos em três dimensões espaciais e uma dimensão de tempo", diz Henry .
Mas, assim como você pode continuar a adicionar mais copos de água para o seu jarro hipotético, podemos continuar a acrescentar mais de três dimensões espaciais para nossa dimensão no Universo.
É em cima disso que a teoria das cordas trabalha - os físicos têm utilizado ela para explicar como o Universo poderia ser composto de até 11 dimensões espaciais, mais uma dimensão de tempo, mesmo se os humanos só podem perceber três.
Assista ao episódio de MinutePhysics abaixo e tente no qual Henry tentar resolver um cubo de Rubik com quatro dimensões:
Nós todos sabemos que o Universo está se expandindo, certo? Bem, se você não estava ciente, agora você está. Vivemos em um universo em expansão: cada galáxia distante está se afastando em relação à outras. Isto naturalmente leva a uma pergunta comum: Se o Universo está em expansão, ele está expandindo dentro de alguma outra coisa maior? De outro universo? Do nada? Algo semelhante a nevoeiro indefinido? Onde está a borda da nossa bolha de sabão cósmica?
Bem, o nosso universo não têm uma borda - ou seja, quando dizemos "nosso universo," estamos nos referindo ao universo observável. A velocidade da luz é apenas isso - uma velocidade - e o Universo só tem existindo em torno de tão longa (cerca de 13.77 bilhões de anos), o que significa que somente uma parte do universo foi revelada a nós através da luz que tem viajado através destas vastas distâncias cósmicas. E o que está fora do nosso limite observável? Esta é fácil: Existem apenas mais coisas, como galáxias e buracos negros e novas variedades fantásticas de queijo. Há sempre algo inalcançável por nós, com certeza - mas esse algo ainda está lá.
De nossa perspectiva, parece que estamos no centro de tudo, e cada galáxia está voando para longe de nós. De modo que, naturalmente, nos leva a pensar que "realmente existe uma borda". Mas digamos que você pule para Andrômeda, a nossa vizinha galáctica mais próxima. A partir desse novo ponto de vista, ainda parece que você está no centro do universo e tudo está voando para longe de você. Agora vamos loucamente fingir que podemos nos teleportar para a galáxia mais distante observável, na extremidade mais distante do nosso alcance observacional. Adivinha? Sim, a partir de sua posição, parece que você está no centro do universo, e cada galáxia - incluindo a Via Láctea distante - está correndo para longe de você.
Isso é o que queremos dizer quando dizemos "O universo está se expandindo." Cada galáxia está se afastando de todas as outras galáxias (com algumas pequenas exceções de fusões locais, mas isso é assunto para outro artigo).
Mas tem que haver um limite, certo? Não é como se o universo fosse infinito, certo? Certo?
Bem, provavelmente não. Embora seja muito, muito, muito grande, o universo provavelmente não é infinitamente grande.
Mas ele ainda não precisa de uma borda.
Imagine novamente você pulando de galáxia para galáxia. A partir da Via Láctea, o universo parece com uma bolha de sabão enorme crescendo em tamanho, com a gente no centro. Mas de outra galáxia, esta bolha universal parece diferente, porque não há uma galáxia diferente no "centro" da bolha. O que nós tentamos chamar de "dentro" ou uma "borda" do nosso universo não tem sentido a partir de uma nova perspectiva. E isso é verdade para cada galáxia.
Eu vou dizer outra vez: "Universo em expansão" significa apenas que cada galáxia está se movendo mais distantes de qualquer outra galáxia. É isso aí! Sem borda. Nenhuma bolha. Nada está se expandindo para nada. A matemática é simples: o universo se torna maior com o tempo. Ponto.
Vamos dar um passo para trás. Todo mundo já ouviu falar nessas analogias comuns usadas para descrever um universo em expansão: Galáxias são como formigas rastejando em torno de uma bola de praia. Somos todos passas em um pedaço de pão. E - oh! - A bola de praia está inflando! Sim! O pão está crescendo no forno! O espaço está se expandindo e as galáxias são indo junto com ele! Veja? Fácil, não?!
Essas analogias certamente atravessam um ponto importante: As galáxias não estão voando ou correndo ou dançando umas com as outras. É o espaço que as galáxias estão que faz todo o trabalho de expansão; as galáxias estão apenas em passeio no tapete cósmico.
Mas essas analogias também carregam uma falha fatal. Todos nós podemos facilmente imaginar uma bola de praia inflar ou pão crescendo com fermento, e nós imediatamente pensamos neles como expandindo em uma coisa: o ar vazio. A bola de praia tem uma pele. O pão tem um deliciosa crosta crocante. Eles têm bordas, e eles estão se movendo para algo.
Nossas mentes têm desempenhado um truque conosco, e isso está nos enganando e nos deixando totalmente boquiaberto com o que está acontecendo.
Quando usamos a analogia das formigas-na-bola-de-praia, a primeira coisa que as pessoas dizem é: "Por que formigas?" Eu não sei; aceite que dói menos. Lide com isso. E a segunda coisa que as pessoas dizem é: "Oh, o centro do universo está bem ali, no meio da bola." Nesse ponto, eu tenho que saltar com as limitações da analogia: Todo o nosso universo é a superfície da bola de praia. E a superfície da bola não tem centro. Assim como a superfície da Terra não tem centro. Nós poderíamos ter feito os pólos em qualquer lugar que quisesse.
No modelo bola de praia, todo o nosso universo é uma superfície bidimensional, cheio de formigas idiotas que tentam rastrear umas as outras, mas falham porque algum idiota está inflando a bola.. OK, tudo bem, que seja. Esse é um modelo de universo bidimensional, mas com os olhos da nossa mente, nós imediatamente pensamos que ele está expandindo em uma terceira dimensão - uma dimensão que as formigas não podem acessar, pois elas não podem saltar. Mas essa dimensão extra fornece um "local" para a superfície da bola se expandir.
Mas o nosso verdadeiro universo é tridimensional. Enquanto a teoria das cordas sugere que pode haver dimensões extras, eles são todas super finas, então elas não contam. Então, há uma quarta dimensão extra que fornece o "material" para o nosso universo se expandir?
Talvez não. Aqui está a coisa: A matemática poderia apoiar uma quarta dimensão para o nosso universo 3D se expandir sobre ela. E nós definitivamente teríamos uma "borda" nesta dimensão extra, da mesma forma que você pode apontar para a "borda" de uma superfície 2D da bola de praia.
Mas não precisa.
Nós não precisamos de uma quarta dimensão para embrulhar nosso universo como um papel de pão. Nós temos uma descrição matemática completa e consistente da expansão do universo usando apenas as três dimensões normais, cotidianas que nós conhecemos e amamos. Então isso significa que nós podemos ter um universo em expansão sem a necessidade de uma borda ou uma coisa para ele se expandir.
Nós todos temos problemas para assimilar geometrias acima de nossa compreensão. Mas essa é a beleza de usar a matemática para entender o universo: Nós podemos criar e manipular conceitos que nossos cérebros simplesmente não conseguem lidar por conta própria.
Traduzido e adaptado de Space.com
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
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