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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
Perplexos com a gravidade? Não deixe que isso te derrube.
Gravidade: nós quase nunca pensamos sobre ela, pelo menos até que escorreguemos no gelo ou tropeçamos na escada. Para muitos pensadores antigos, a gravidade não era ainda uma força de que era apenas a tendência natural dos objetos afundarem em direção ao centro da Terra, enquanto os planetas estavam sujeitos a outros, independente de leis.
Claro, sabemos agora que a gravidade faz muito mais do que fazer as coisas caírem. Ele governa o movimento dos planetas em torno do Sol, detém galáxias juntas e determina a estrutura do próprio universo. Também reconhecemos que a gravidade é uma das quatro forças fundamentais da natureza, juntamente com o eletromagnetismo, a força fraca e a força forte.
A teoria moderna da relatividade - A Teoria geral da gravidade de Einstein - é uma das teorias mais bem sucedidas que temos. Ao mesmo tempo, nós ainda não sabemos tudo sobre a gravidade, incluindo a forma exata ele se encaixa com as outras forças fundamentais. Mas aqui estão seis fatos de peso que nós sabemos sobre a gravidade.
Ilustração pelo Sandbox Studio, com Ana Kova
1. A gravidade é de longe a força mais fraca que conhecemos.
Gravidade só atrai - não há nenhuma versão negativa da força para empurrar as coisas separadas. E enquanto a gravidade é poderosa o suficiente para manter as galáxias juntas, é tão fraca que você supera-a todos os dias. Ao pegar um livro, por exemplo, você está contrariando a força da gravidade de toda a Terra.
Para efeito de comparação, a força elétrica entre um elétron e um próton dentro de um átomo é aproximadamente um quintilhões (que é um seguido de 30 zeros) vezes mais forte que a atração gravitacional entre eles. Na verdade, a gravidade é tão fraca, que não sabemos exatamente o quão fraco ela é.
Ilustração pelo Sandbox Studio, Chicago com Ana Kova
2. Gravidade e peso não são a mesma coisa.
Astronautas na estação espacial flutuam, e às vezes nós, preguiçosamente, dizemos que eles estão em gravidade zero. Mas isso não é verdade. A força da gravidade sobre um astronauta é de cerca de 90 por cento da força que eles iriam experimentar na Terra. No entanto, os astronautas têm peso, já que o peso é a força que o chão (ou uma cadeira ou uma cama ou qualquer outro) exerce em volta deles na Terra.
Leve uma balança de banheiro em um elevador em um grande hotel de luxo e fique em cima dela enquanto o elevador vai para cima e para baixo. Você vai perceber que seu peso oscila e você sente o elevador acelerando e desacelerando, mesmo assim, a força gravitacional é a mesma. Em órbita, por outro lado, os astronautas movem junto com a estação espacial. Não há nada para empurrá-los contra o lado da nave espacial para fazer peso. Einstein transformou esta ideia, juntamente com sua teoria da relatividade especial, dentro da relatividade geral.
Ilustração pelo Sandbox Studio, Chicago com Ana Kova
3. A gravidade faz com que as ondas que se movem à velocidade da luz.
A relatividade geral prevê ondas gravitacionais. Se você tiver duas estrelas anãs brancas ou buracos negros presos em órbita mútua, eles lentamente se aproximam e criam ondas gravitacionais que carregam energia de distância. Na verdade, a Terra também emite ondas gravitacionais, uma vez que orbita o Sol, mas a perda de energia é muito pequena para se notar.
Nós tivemos evidências indiretas de ondas gravitacionais por 40 anos, mas o Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro a Laser (LIGO), apenas confirmou o fenômeno neste ano. Os detectores captaram uma explosão de ondas gravitacionais produzidas pela colisão de dois buracos negros a mais de um bilhão de anos-luz de distância.
Uma consequência da relatividade é que nada pode viajar mais rápido que a velocidade da luz no vácuo. Isso vale para a gravidade, também: Se algo drástico acontecer com o sol, o efeito gravitacional chegaria a nós, ao mesmo tempo que a luz do evento.
Da teoria de Einstein para os murmúrios da gravidade: a história das ondas gravitacionais
Ilustração pelo Sandbox Studio, Chicago com Ana Kova
4. Explicar o comportamento microscópico da gravidade tem jogado pesquisadores em um loop.
As outras três forças fundamentais da natureza são descritas por teorias quânticas na menor das escalas - espeficimente o Modelo Padrão. No entanto, nós ainda não temos uma teoria quântica da gravidade totalmente funcional, embora os pesquisadores estejam tentando.
Uma linha de pesquisa é chamada de Gravitação Quântica em Loop, que utiliza técnicas da física quântica para descrever a estrutura do espaço-tempo. Ele propõe que o espaço-tempo é uma partícula semelhante nas escalas mais ínfimas, da mesma forma que a matéria é feita de partículas. A matéria seria restringida a saltar de um ponto ao outro sobre uma estrutura flexível, do tipo de rede. Isso permite que a gravidade quântica em loop descreva o efeito da gravidade em uma escala muito menor do que o núcleo de um átomo.
Uma abordagem mais famosa é a Teoria das Cordas, onde as partículas - incluindo gravitons - são consideradas vibrações de cordas que são enroladas em dimensões demasiado pequenas para experimentos de alcançar. Nem a gravitação quântica em loop, nem a teoria das cordas, nem qualquer outra teoria é atualmente capaz de fornecer detalhes testáveis sobre o comportamento microscópico da gravidade.
Ilustração pelo Sandbox Studio, Chicago com Ana Kova
5. A gravidade pode ser transportada por partículas sem massa chamadas grávitons.
No modelo padrão, partículas interagem umas com os outras através de outras partículas portadoras de força. Por exemplo, o fóton é portador da força electromagnética. As partículas hipotéticas para a gravidade quântica são grávitons, e nós temos algumas idéias de como eles devem trabalhar em relatividade geral. Como os fótons, grávitons provavelmente não tem massa. Se eles tivessem massa, as experiências já deveriam ter visto alguma coisa, mas eles não descarta uma massa ridiculamente pequena.
Ilustração pelo Sandbox Studio, Chicago com Ana Kova
6. A gravidade quântica aparece no menor comprimento que qualquer coisa pode ser.
A gravidade é muito fraca, mas quanto mais próximos dois objetos são, mais forte ela se torna. Em última análise, atinge a força das outras forças a uma distância muito pequena conhecido como o comprimento de Planck, muitas vezes menor do que o núcleo de um átomo.
É aí que os efeitos da gravidade quântica serão fortes o suficiente para medir, mas são demasiado pequeno para qualquer experimento investigar. Algumas pessoas têm proposto teorias que iriam deixar a gravidade quântica mostrar-se perto da escala milimétrica, mas até agora não vimos esses efeitos. Outros têm olhado para formas criativas a fim de ampliar os efeitos da gravidade quântica, usando vibrações em uma grande barra de metal ou coleções de átomos mantidos a temperaturas ultra frias.
Parece que, desde a menor escala para o maior, a gravidade continua a atrair a atenção dos cientistas. Talvez isso seja algum consolo na próxima vez que você levar um tombo, quando a gravidade agarrar a sua atenção também.
Traduzido e adaptado de Symmetry magazine
O Universo é governado por quatro forças fundamentais: a Força Gravitacional, a Força Electromagnética, a Força Nuclear Fraca e a Nuclear Forte.
Antes do Big Bang, o Universo era uma singularidade infinitesimalmente pequena, onde estas 4 forças estavam confinadas em um único ponto. Logo após o Big Bang, a gravidade foi a primeira que separou-se das demais forças. e assim por diante. As leis de Einstein ainda não tinham sido aplicáveis, então o Universo se expandiu mais rápido que a luz.
Força da Gravidade
A Gravidade é tida como a mais fraca das interações, mas esta é a interação que tem o mais longo alcance. A intensidade desta força decai com o inverso do quadrado da distância entre um corpo e outros. Diferente de outras interações, a gravidade atua universalmente em toda matéria e energia. Devido ao seu longo alcance, e da propriedade de depender somente da massa dos objetos e independente de sua carga etc., a maioria das interações entre objetos separados por escala de distância maiores que de um planeta, por exemplo, são predominantemente devidas à gravidade.
Devido ao seu longo alcance, a gravidade é responsável por fenômenos de larga-escala como galáxias, buracos negros e a hipotética expansão do universo, como também os mais elementares fenômenos astronômicos como a órbita dos planetas, e a experiências do dia a dia com a queda de objetos.
Força Eletromagnética
Eletromagnetismo é a força que atua entre partículas carregadas. Estas incluem força eletrostática, atuando entre cargas em repouso, e o efeito combinado das forças elétrica e magnética entre cargas em movimento relativo.
A força electromagnética também tem um alcance infinito mas ao contrário da gravitacional , a força electromagnética é muito mais intensa sendo um centésimo mais fraca que a nuclear forte.
Força Nuclear Forte
A força nuclear forte é a força que mantêm a coesão nuclear, que mantêm os átomos unidos. A Força Nuclear Forte e a Fraca possuem um alcance muito pequeno que só se verifica a nível atômico. A nuclear fraca é mais fraca que a nuclear forte e que a electromagnética, a nuclear forte.
Força Nuclear Fraca
A força nuclear fraca é responsável por alguns fenômenos na escala do núcleo atômico, tais como o decaimento beta. O eletromagnetismo e a força nuclear fraca são teoricamente entendidos como dois aspectos de força eletrofraca unificada – este foi o primeiro passo na formulação teórica de um modelo conhecido como modelo padrão. Na teoria eletrofraca, os condutores da força fraca são gauge bóson massivos chamados de bósons W e Z. A força fraca é um exemplo de uma teoria física em que a paridade não é conservada isto é na qual direito e esquerdo são assimétricos. (Mas a simetria CPT é conservada).
Esta força também cria o chamado Decaimento radioativo. Encontramos ela em bombas atômicas e Energia Nuclear em larga escala.
"Se confirmada por outros experimentos, esta descoberta de uma possível quinta força iria mudar completamente a nossa compreensão do universo", disse o professor de UCI de física e astronomia Jonathan Feng, incluindo o que mantém unidas as galáxias do Universo".
Descobertas recentes indicam a possível descoberta de uma partícula subatômica previamente desconhecida que pode ser evidência de uma quinta força fundamental da natureza, de acordo com um artigo publicado na revista Physical Review Letters pelos físicos teóricos da Universidade da Califórnia, Irvine.
"Se for verdade, é revolucionário", disse Jonathan Feng, professor de física e astronomia. "Durante décadas, a gente conhece quatro forças fundamentais: Gravitação, eletromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca. Se confirmada por outros experimentos, esta descoberta de uma possível quinta força iria mudar completamente a nossa compreensão do universo, com consequências para a unificação das forças e a matéria escura ".
Os pesquisadores da UCI se basearam em um estudo de meados de 2015, feito por físicos nucleares experimentais na Academia de Ciências da Hungria, que estavam à procura de "fótons escuros," partículas que poderiam formar a matéria escura invisível, que os físicos dizem que compõe cerca de 85 por cento da massa do universo. O trabalho dos húngaros 'descobriu uma anomalia de decaimento radioativo que aponta para a existência de uma partícula de luz apenas 30 vezes mais pesada do que um elétron.
"Os experimentalistas não foram capazes de afirmar que era uma nova força", disse Feng. "Eles simplesmente viram um excesso de eventos que indicam uma nova partícula, mas não estava claro para eles se era uma partícula de matéria ou se era uma partícula que transmite força".
O grupo UCI estudou os dados dos pesquisadores húngaros, bem como todas as outras experiências anteriores nesta área e mostrou que a evidência desfavorece fortemente ambas as partículas de matéria e fótons escuros. Eles propuseram uma nova teoria que sintetiza todos os dados existentes e determinaram que a descoberta pode indicar uma quinta força fundamental. A sua análise inicial foi publicada no final de abril no servidor público on-line arXiv, e um artigo de acompanhamento amplificando as conclusões do primeiro trabalho foi divulgado sexta-feira, no mesmo site.
O trabalho do UCI demonstra que, em vez de ser um fóton escuro, a partícula pode ser um "Higgs fotofófico X." Enquanto a força elétrica normal age sobre elétrons e prótons, esta partícula de Higgs recém-descoberta interage apenas com os elétrons e nêutrons - e em uma gama extremamente limitada. O co-autor Timothy Tait, professor de física e astronomia, disse: "Não há outro tipo de partícula Higgs que temos observado com essa mesma característica. Às vezes nós também os chamamos de 'Higgs X' onde 'X' significa desconhecido. "
Feng observou que novas experiências são cruciais. "A partícula não é muito pesada, e os laboratórios tiveram as energias necessárias para encontrá-la desde os anos 50 e 60", disse ele. "Mas a razão de ela ser tão difícil de encontrar é que suas interações são muito débeis."
Como muitos avanços científicos, este abre inteiramente novos campos de investigação.
Uma direção que intriga Feng é a possibilidade de que essa potencial quinta força pode ser unida às forças eletromagnética e nuclear forte e fraca como "manifestações de uma maior, uma força mais fundamental."
Citando o entendimento dos físicos do modelo padrão, Feng especula que pode haver também um setor escuro separado com sua própria matéria e forças. "É possível que estes dois setores comuniquem-se uns aos outros e interagir uns com os outros através de interações pouco veladas, mas fundamentais", disse ele. "Esta força escura pode se manifestar como esta força fotofóbica que estamos vendo como resultado da experiência húngara. Num sentido mais amplo, ela se encaixa com a nossa pesquisa original para compreender a natureza da matéria escura."
Traduzido e adaptado de Phys
Pergunta: O que é a Gravitação Quântica?
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| Uma das principais metas dos cientistas é a busca pelo Santo Graal da Física: A Teoria de Tudo |
Resposta:
Qual é o gráviton?
O modelo padrão da mecânica quântica (desenvolvido entre 1970 e 1973) postula que as outras três forças fundamentais da física são mediadas por bósons virtuais. Fótons medem a força eletromagnética, bósons W & Z medem a força nuclear fraca, e glúons (como quarks ) medem a força nuclear forte. O gráviton, por sua vez, seria um mediador da força gravitacional. Se encontrado, o gráviton é esperado para estar sem massa (porque age instantaneamente a longas distâncias) e têm spin 2 (porque a gravidade é um campo tensor de segunda ordem).
A História
Historicamente, tem havido duas reações à aparente inconsistência da teoria quântica com a necessária independência-básica da teoria da relatividade geral. A primeira é que a interpretação geométrica da relatividade geral não é fundamental, mas surge qualitativamente de alguma teoria mais primordial. Isto é explicitado, por exemplo, no livro-texto clássico de Steven Weinberg Gravitation and Cosmology. Um ponto de vista oposto é que a independência-fundo é fundamental, e que a mecânica quântica necessita ser generalizada por parâmetros onde não foi especificado, a priori, o tempo. O ponto de vista geométrico está exposto no texto clássico Gravitation, de Misner, Wheeler e Thorne.
Os dois livros, editados por renomados físicos teóricos, expressam visões completamente opostas do significado da gravitação. Foram publicados quase simultaneamente no inicio de 1970. A razão foi que um impasse tinha sido alcançado, uma situação que levou Richard Feynman (que por si mesmo tinha feito importantes tentativas para compreender a gravitação quântica) a escrever, em desespero, "Lembre-me de não voltar a mais nenhuma conferência de gravitação" em uma carta para sua esposa no inicio de 1960.
Progressos foram alcançados nas duas frentes, conduzindo, em 2004, à teoria das cordas por um lado, e por outro lado à gravitação quântica em loop.
A gravitação quântica foi provada?
O grande problema em experimentalmente de testar qualquer teoria da gravidade quântica é que os níveis de energia necessários para observar as conjecturas são inatingíveis em experimentos de laboratório atuais. Mesmo teoricamente, a gravidade quântica é executada em problemas sérios. A Gravitação está explicada pela teoria da relatividade geral, o que gera diferentes hipóteses sobre o universo em escala macroscópica do que aqueles feitos pela mecânica quântica em escala microscópica.
As tentativas de combiná-los geralmente vão para o "problema renormalização", em que a soma de todas as forças não anulam e resultar em um valor infinito. Na eletrodinâmica quântica, isso aconteceu ocasionalmente, mas poderia renormalizar a matemática para remover estas questões. Tal renormalização não funciona em uma interpretação quântica da gravidade.
Os pressupostos da gravitação quântica são, geralmente, que tal teoria iria provar ser muito simples e elegante, tantos é que os físicos tentam trabalhar olhando para trás, de forma a prever uma teoria de que eles se sentem responsáveis pelas simetrias observadas na física e, em seguida, vendo se essas teorias funcionam.
 |
| A Gravitação Quântica pretende unir todos os campos. |
Algumas teorias do campo unificado que são classificados como teorias de gravidade quântica incluem:
- A teoria das cordas / teoria das supercordas / teoria-M
- Supergravidade
- Teoria twistor
- Gravitação quântica euclidiana
- Equação Wheeler-deWitAdS/CFT
- Gravitação quântica de Loop de Ashtekar, Smolin e Rovelli
- Geometria não comutativa de Alain ConnesA teoria do "R = T" ( dilaton )2 por Robert Mann e Tony Scott
- Teoria Twistor de Roger Penrose
- Gravitação quântica discreta de Lorentzian
- Gravitação induzida Sakharov
- Calculo Regge
- Métrica acústica e outros modelos análogos de gravitação
- Processos Físicos
- Teoria do campo unificado (Teoria de Tudo)
(prometeremos explicar cada uma delas posteriormente)
É claro, é totalmente possível que, se a gravidade quântica existir, ele será simples nem elegante, caso em que estas tentativas estão sendo abordados com suposições equivocadas e, provavelmente, seria impreciso. Só o tempo e experimentação, vão dizer com certeza.
Também é possível, como algumas das teorias acima prevem, que a compreensão da gravidade quântica não apenas consolidar as teorias, mas sim introduzir fundamentalmente uma nova compreensão do espaço e do tempo.
Referências: About Physics
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
Por Don Lincoln, Cientista Sênior, Fermi National Accelerator Laboratory; Professor Adjunto de Física da Universidade de Notre Dame
Ciência e a internet tem uma relação difícil: a ciência tende a avançar através de uma avaliação cuidadosa e tediosa de dados e teoria, e o processo pode levar anos para ser concluído. Em contraste, a comunidade da Internet geralmente tem a atenção de Dory, o peixe distraído de "Procurando Nemo" (que agora trocou o papel com Nemo em "Procurando Dory") - um meme aqui, uma foto de celebridade alí - oh, veja... um vídeo engraçado de um gato.
Assim, as pessoas que estão interessadas em ciência séria devem ser extremamente cautelosas quando leem uma história on-line que pretende ser uma descoberta científica de mudança de paradigma. Um exemplo recente é um sugerindo que uma nova força da natureza podem ter sido descoberta. Se for verdade, isso significaria que temos que reescrever os livros-texto.
Como físico, eu gostaria de lançar uma luz científica disciplinada sobre isso.
A quinta força
Então, o que tem sido afirmado?
Em um artigo apresentado em 07 de abril de 2015, no repositório arXiv de artigos de física, um grupo de pesquisadores húngaros relatou em um estudo no qual eles concentraram um intenso feixe de prótons (partículas encontradas no centro de átomos ) em finos alvos de lítio. As colisões criadas em núcleos excitados do berílio-8, que decaíram em berílio 8 comum e pares de partículas de elétrons e pósitrons. (O pósitron é a antimatéria equivalente do elétron).
Eles afirmaram que os seus dados não poderiam ser explicados por fenômenos físicos conhecidos no Modelo Padrão, o atual modelo que governa a física de partículas. Mas, eles supostamente, poderiam explicar os dados se uma nova partícula existisse com uma massa de volts, aproximadamente, 17 milhões de elétrons, que é 32,7 vezes mais pesado do que um elétron normal e apenas um pouco menos de 2 por cento da massa de um próton. As partículas que emergem nesta faixa de energia, que é relativamente baixa para os padrões modernos, foram bem estudados. E por isso seria muito surpreendente uma nova partícula for descoberta neste regime de energia.
No entanto, a medição sobreviveu a revisão por pares e foi publicada em 26 de janeiro de 2016, na revista Physical Review Letters, que é uma das mais prestigiadas revistas de física do mundo. Nesta publicação, os pesquisadores, e esta pesquisa, limpou um obstáculo impressionante.
Sua mensuração recebeu pouca atenção até que um grupo de físicos teóricos da Universidade da Califórnia, em Irvine (UCI), voltaram sua atenção para ela. Como os teóricos comumente vem com uma medição física controversa, a equipe comparou-a com o corpo de trabalho que foi montado ao longo do último século ou mais, para ver se os novos dados são consistentes ou inconsistentes com o corpo de conhecimento existente. Neste caso, eles olharam para cerca de uma dúzia de estudos publicados.
O que eles descobriram é que, embora a medida não entre em conflito com quaisquer estudos anteriores, parecia ser algo nunca antes observado - e algo que não podia ser explicado pelo Modelo Padrão.
Novo Arcabouço Teórico
Para fazer dar sentido à medida húngara, então, este grupo de teóricos da UCI inventou uma nova teoria.
A teoria inventada pelo grupo Irvine é realmente muito exótica. Eles começam com a premissa muito razoável que a eventual nova partícula é algo que não é descrito pela teoria existente. Isso faz sentido porque a possível nova partícula tem uma massa muito baixa e teria sido descoberta antes se fosse governada pela física conhecida. Se esta fosse uma nova partícula governada por uma nova física, talvez uma nova força estivesse envolvida. Desde que, tradicionalmente, os físicos começaram a falar de quatro forças fundamentais conhecidas (gravidade, eletromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca), essa nova força hipotética foi apelidada de "a quinta da força."
Teorias e descobertas de uma quinta força tem uma história atribulada, com medidas e ideias surgindo e desaparecendo com novos dados. Por outro lado, existem mistérios não explicados pela física comuns como, por exemplo, a matéria escura. A matéria escura, historicamente, tem sido modelada como uma única forma de uma partícula estável e maciça que até onde se sabe, só pode experimentar a força da gravidade, mas não há nenhuma razão que explique o porquê que ela não possa experimentar as 3 forças restantes. Não há razão para que a matéria escura não pudesse experimentar as forças que a matéria comum não experimenta.
Há muitas idéias sobre as forças que afetam a matéria escura somente e o termo para essa ideia básica é chamado de "Matéria escura complexa". Uma ideia comum é que há um fóton escuro que interage com uma carga escura carregada apenas por matéria escura. Esta partícula é uma matéria escura análoga ao fóton de matéria comum que interage com carga elétrica familiar, com uma exceção: algumas teorias de matéria escura complexa imbuem fótons escuros com massa, em contraste com os fótons comuns.
Se existem fótons escuros, eles podem casar com a matéria comum (e fótons) e decaírem em pares de elétron-pósitron, que é o que o grupo de pesquisa húngaro estava investigando. Como fótons escuros não interagem com carga elétrica comum, este acoplamento só pode ocorrer por causa dos caprichos da mecânica quântica. Mas se os cientistas começaram a ver um aumento em pares de elétron-pósitron, isso pode significar que eles estavam observando um fóton escuro.
O grupo de Irvine encontrou um modelo que incluía uma partícula "protofóbica" que não foi descartada por medições anteriores e explicaria o resultado húngaro. As partículas que são "protofóbicas", que literalmente significa "medo de prótons," raramente ou nunca interagem com prótons mas pode interagirem com nêutrons (neutrofílica).
A partícula proposta pelo grupo Irvine experimenta uma quinta e desconhecida força, na faixa de 12 femtometers, ou cerca de 12 vezes maior que um próton. A partícula é protofóbica e neutrofílica. A partícula proposta tem uma massa de 17 milhões de elétron-volts e pode decair em pares de elétron-pósitron. Além de explicar a medição húngara, uma partícula tal ajudaria a explicar algumas discrepâncias vistas por outras experiências. Esta última consequência acrescenta peso à ideia.
Mudanças de Paradigma nas forças
O que é provável que seja verdade? Obviamente, os dados são os reis. Outros experimentos precisarão confirmar ou refutar a medição. Nada mais importa. Mas isso vai demorar um ano ou mais e ter alguma ideia antes disso pode ser bom. A melhor maneira de estimar a probabilidade do encontrar a verdade é olhar para a reputação dos vários pesquisadores envolvidos. Esta é claramente uma maneira malfeita de fazer ciência, mas vai ajudar a sombrear as suas expectativas.
Então vamos começar com o grupo de Irvine. Muitos deles (o seniors, tipicamente) são considerados e estabelecidos membros do campo, com papéis substantivos e sólidos em seu passado. O grupo inclui um espectro de idades, com membros sênior e jovens. No interesse da divulgação, eu conheço alguns deles pessoalmente, e, na verdade, dois deles já leram as partes teóricas de capítulos de livros que tenho escrito para o público garantir que eu não disse nada estúpido. (A propósito, não encontraram qualquer gafes, mas eles certamente ajudaram a esclarecer alguns pontos). Que certamente demonstram respeito para os membros do grupo de Irvine, mas possivelmente fere minha opinião. No meu julgamento, eles quase certamente fizeram um trabalho minucioso e profissional de comparar o seu novo modelo de dados existentes. Eles encontraram uma região pequena e inexplorada de possíveis teorias que poderiam existir.
Por outro lado, a teoria é muito especulativa e altamente improvável. Isto não é uma acusação... todos que propuseram teorias poderiam ser rotulados desta forma. Afinal, o modelo padrão, que governa a física de partículas, tem quase meio século de idade e tem sido exaustivamente explorado. Além disso, todas as novas idéias teóricas são especulativas e improváveis e quase todas elas estão erradas. Também não é uma acusação. Há muitas maneiras para adicionar possíveis modificações às teorias existentes para explicar fenômenos novos. Elas não podem estar todas certas. Às vezes, nenhuma das idéias propostas estão certas.
No entanto, podemos concluir a partir a reputação dos membros do grupo que eles geraram uma nova ideia e compararam com todos os dados relevantes existentes. O fato de que eles lançaram seu modelo significa que sobreviveu seus testes e, portanto, continua a ser uma possibilidade credível, se improvável.
E sobre o grupo húngaro? Eu não conheço nenhum deles pessoalmente, mas o artigo foi publicado na Physical Review Letters — uma marca de giz no muro da vitória. No entanto, o grupo também publicou dois trabalhos anteriores em que foram observadas anomalias comparáveis, incluindo uma partícula possível, com uma massa de 12 milhões elétron-volts e uma segunda publicação, alegando a descoberta de uma partícula com uma massa de aproximadamente 14 milhões elétron-volts. Ambas estas alegações foram posteriormente falsificadas por outras experiências.
Além disso, o grupo húngaro nunca satisfatoriamente divulgou que o erro o que resultou nestas afirmações errôneas. Outra possível bandeira vermelha é que o grupo raramente publica dados que não tem a pretensão de criar anomalias. Isso é improvável. Na minha própria carreira de investigação, a maioria das publicações confirmaram as teorias existentes. Anomalias que persistem são muito, muito, raras.
Então, qual é a linha de fundo? Devíamos estar animados com esta nova descoberta possível? Bem... certamente... possíveis descobertas são sempre emocionantes. O modelo padrão tem resistido ao teste do tempo há meio século, mas há mistérios inexplicáveis e a comunidade científica está sempre buscando a descoberta que nos aponta na direção de uma teoria nova e melhorada. Mas quais são as mudanças que esta medida e a teoria levará ao mundo científico, aceitando uma nova força, com uma gama de 12 fm e com uma partícula que evita prótons? Minha sensação é que isto um longo tiro. Eu não sou tão otimista sobre as chances deste resultado.
Claro que esta opinião é só isso... um parecer. Outras experiências também procurarão fótons escuros porque, mesmo se a medição húngara não se sustente a análise, ainda há um problema com a matéria escura. Muitos experimentos à procura de fótons escuros irão explorar o mesmo espaço de parâmetro (por exemplo, modos de energia, massa e decaimento) em que os pesquisadores húngaros afirmam ter encontrado uma anomalia. Em breve (dentro de um ano) saberemos se essa anomalia é uma descoberta ou apenas mais um solavanco nos dados que temporariamente animaram a Comunidade. E, não importa o resultado, a boa e melhor ciência dará o resultado final.
Traduzido e adaptado de LiveScience
A luz está em tudo à nossa volta, mas quanto você realmente sabe sobre os fótons em alta velocidade passando por você?
Há mais luz do que aparenta. Aqui estão oito fatos esclarecedoras sobre fótons:
1. fótons podem produzir ondas de choque na água ou no ar, semelhante a bombas sônicas.
Nada pode viajar mais rápido que a velocidade da luz no vácuo. No entanto, a luz desacelera no ar, água, vidro e outros materiais a medida que os fótons interagem com átomos e isso tem algumas consequências interessantes.
Os raios gama de energia maior do espaço bateu na atmosfera mais rápido que a velocidade da luz no ar. Estes fótons produzem ondas de choque no ar, muito parecido com uma bomba sônica. Observatórios como o VERITAS no Arizona procuram esses fótons secundários, que são conhecidos como radiação de Cherenkov. Reatores nucleares também apresentam Cherenkov leve na água ao redor do combustível nuclear.
2. a maioria dos tipos de luz são invisíveis aos nossos olhos.
As cores são o caminho dos nossos cérebros para interpretar o comprimento de onda de luz: até onde a luz viaja antes do onda padrão repetir-se. Mas as cores que vemos — chamada de "visível" ou luz "óptica"— são apenas uma pequena amostra do espectro eletromagnético total.
O vermelho é a luz de comprimento de onda mais longo. Se esticar mais as ondas obterá o infravermelho, microondas e ondas de rádio. Comprimentos de onda mais curtos do que o violeta são chamados de de ultravioleta, raios x e raios gama. Comprimento de onda é também um substituto para a energia: os longos comprimentos de onda de rádio tem baixa energia e os raios gama de comprimentos de onda curtos têm a maior energia, e são perigosas para os tecidos vivos.
3. os cientistas podem realizar medições em fótons únicos.
Luz feita de partículas chamadas fótons, pacotes do campo eletromagnético que carregam uma quantidade específica de energia. Com experimentos suficientemente sensíveis, você pode contar os fótons ou mesmo realizar medições em um único deles. Pesquisadores têm até mesmo congelado a luz temporariamente.
Mas não pense que fótons são bolas de bilhar. Eles também são ondas: eles podem interferir uns com os outros para produzir padrões de luz e escuridão. O modelo do fóton foi um dos primeiros triunfos da física quântica; o trabalho posterior mostrou que elétrons e outras partículas da matéria também têm propriedades de onda.
1. fótons podem produzir ondas de choque na água ou no ar, semelhante a bombas sônicas.
Nada pode viajar mais rápido que a velocidade da luz no vácuo. No entanto, a luz desacelera no ar, água, vidro e outros materiais a medida que os fótons interagem com átomos e isso tem algumas consequências interessantes.
Os raios gama de energia maior do espaço bateu na atmosfera mais rápido que a velocidade da luz no ar. Estes fótons produzem ondas de choque no ar, muito parecido com uma bomba sônica. Observatórios como o VERITAS no Arizona procuram esses fótons secundários, que são conhecidos como radiação de Cherenkov. Reatores nucleares também apresentam Cherenkov leve na água ao redor do combustível nuclear.
2. a maioria dos tipos de luz são invisíveis aos nossos olhos.
As cores são o caminho dos nossos cérebros para interpretar o comprimento de onda de luz: até onde a luz viaja antes do onda padrão repetir-se. Mas as cores que vemos — chamada de "visível" ou luz "óptica"— são apenas uma pequena amostra do espectro eletromagnético total.
O vermelho é a luz de comprimento de onda mais longo. Se esticar mais as ondas obterá o infravermelho, microondas e ondas de rádio. Comprimentos de onda mais curtos do que o violeta são chamados de de ultravioleta, raios x e raios gama. Comprimento de onda é também um substituto para a energia: os longos comprimentos de onda de rádio tem baixa energia e os raios gama de comprimentos de onda curtos têm a maior energia, e são perigosas para os tecidos vivos.
3. os cientistas podem realizar medições em fótons únicos.
Luz feita de partículas chamadas fótons, pacotes do campo eletromagnético que carregam uma quantidade específica de energia. Com experimentos suficientemente sensíveis, você pode contar os fótons ou mesmo realizar medições em um único deles. Pesquisadores têm até mesmo congelado a luz temporariamente.
Mas não pense que fótons são bolas de bilhar. Eles também são ondas: eles podem interferir uns com os outros para produzir padrões de luz e escuridão. O modelo do fóton foi um dos primeiros triunfos da física quântica; o trabalho posterior mostrou que elétrons e outras partículas da matéria também têm propriedades de onda.
4. fótons de aceleradores de partículas são usados em química e biologia.
Comprimentos de onda da luz visível são maiores do que os átomos e moléculas, então não podemos literalmente ver os componentes da matéria. No entanto, os comprimentos de onda curtos da luz ultravioleta e raios-x são adequados para mostrar tal estrutura pequena. Com métodos para ver esses tipos de alta energia de luz, os cientistas obtém um vislumbre do mundo atômico.
Aceleradores de partículas podem fazer fótons de comprimentos de onda específicos acelerando elétrons usando campos magnéticos; Isso é chamado de "radiação síncrotron." Os pesquisadores utilizam aceleradores de partículas para fazer raios-x e luz ultravioleta para estudar a estrutura de moléculas e vírus e até mesmo fazer filmes de reações químicas.
5. a luz é a manifestação de uma das quatro forças fundamentais da natureza.
Fótons carregam a força eletromagnética, uma das quatro forças fundamentais (juntamente com a força fraca, a força forte e gravidade). Como um elétron se move através do espaço, outras partículas carregadas senti-lo graças a atração ou repulsão elétrica. Como o efeito é limitado pela velocidade da luz, outras partículas reagem, na verdade, onde o elétron estava em vez de onde está. Física quântica explica isto descrevendo o espaço vazio como uma sopa fervilhante de partículas virtuais. Os elétrons levantam fótons virtuais, que viajam à velocidade da luz e atingem com outras partículas, trocando energia e momentum.
6. fótons são facilmente criados e destruídos.
Ao contrário da matéria, todos os tipos de coisas podem criar ou destruir os fótons. Se você está lendo isso em uma tela de computador, a luz de fundo está fazendo fótons viajarem para o seu olho, onde eles são absorvidos — e destruídos.
O movimento dos elétrons é responsável pela criação e a destruição dos fótons, e que é o caso de muita produção e absorção de luz. Um elétron movendo-se em um forte campo magnético irá gerar fótons apenas de sua aceleração.
Da mesma forma, quando um fóton de comprimento de onda certo atinge um átomo, ele desaparece e transmite toda a sua energia para chutar o elétron em um novo nível de energia. Um novo fóton é criado e emitido quando o elétron cai para trás em sua posição original. A absorção e emissão são responsáveis para o único espectro de luz em cada tipo de átomo ou molécula. É assim que os químicos, os físicos e os astrônomos identificam substâncias químicas.
7. A luz é um subproduto da aniquilação de matéria e antimatéria.
Um elétron e um pósitron tem a mesma massa, mas propriedades quântica tais como a carga elétrica, opostas. Quando eles se encontram, os opostos se cancelam mutuamente, convertendo as massas das partículas em energia sob a forma de um par de fótons de raios gama.
8. você pode colidir fótons para criar partículas.
Fótons são suas próprias antipartículas. Mas aqui está a um pouco de diversão: as leis da física que regem os fótons são simétricas no tempo. Isso significa que se nós podemos colidir um elétron e um pósitron para obter dois fótons de raios gama, devemos ser capazes de colidir dois fótons de energia e obter um par de elétron-pósitron.
Na prática, é difícil de fazer: experiências bem sucedidas geralmente envolvem outras partículas do que apenas a luz. No entanto, dentro do LHC, o grande número de fótons produzidos durante colisões de prótons significa que alguns deles ocasionalmente batem uns nos outros.
Alguns físicos estão pensando sobre a construção de um Colisor de fóton fóton, que emitiria feixes de fótons em uma cavidade cheia de outros fótons para estudar as partículas que saem de colisões.
Traduzido e adaptado de Symmetry 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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