A sinfonia cósmica das supercordas

Cordas indivisíveis e vibrantes cujo tamanho é aproximadamente 100 bilhões de bilhões vezes que o núcleo de um átomo são responsáveis pela forma do Universo.

Por | @oficinadanet Ciência

Cordas indivisíveis e vibrantes com dimensão aproximada de 100 bilhões de bilhões de vezes menor que o núcleo de um átomo são, de acordo com a teoria das cordas, responsáveis por formar a estrutura básica de todas as partículas do Universo e explicar fenômenos que antes tiravam a noite de sono dos mais brilhantes físicos da história.


A teoria quântica de campo


A teoria quântica de campo foi desenvolvida durante as décadas de 30 e 40, por físicos teóricos como Paul Dirac, Wolfang Pauli, Julian Schwinger, Freeman Dyson, Tomanaga e Feynman. Essa teoria também é conhecida como teoria relativística de campo quântico. É uma teoria relativista, pois incorpora princípios da relatividade especial; é de campo, pois faz uma associação quântica ao conceito clássico de campo (como o campo eletromagnético de Maxwell); e é quântica, pois noções de probabilidade e incerteza estão incorporadas.

A eletrodinâmica quântica (teoria dos elétrons e fótons), a cromodinâmica quântica (teoria dos quarks) e a teoria do campo eletrofraco (uma espécie de mistura entre o campo eletromagnético e campo fraco) formam o chamado modelo padrão. São teorias que se encaixam no grupo de teorias quânticas de campo e todas possuem excepcional precisão. A teoria de campo quântico, apesar de nos dar resultados incríveis, possui uma grande falha: não inclui a força gravitacional. O modelo padrão que é a teoria das forças elementares não possui uma teoria completa e sustentável para a força gravitacional, o que a impede de ser a tão sonhada teoria do tudo que os físicos tanto procuram.


Relatividade versus mecânica quântica: a necessidade de uma nova teoria


Nosso nível de compreensão dos fenômenos do Universo é, sem dúvida, extraordinário. As novas e revolucionárias teorias, assim como a relatividade e a mecânica quântica, explicam com sucesso os eventos ao nosso redor. Com a relatividade podemos entender o comportamento das galáxias, estrelas e a estrutura do próprio Universo. E o oposto ocorre com a mecânica quântica, que nos explica o funcionamento das partículas, suas interações e suas características. O problema é que a relatividade e a mecânica quântica não podem trabalhar juntas. Isso quer dizer que usamos a relatividade ou a mecânica quântica para explicar algo, o que cria um grande abismo nas teorias e com certeza aumenta a distância entre os físicos e a teoria definitiva que explicaria todo o funcionamento do Universo.

As frustradas tentativas dos físicos em resolver problemas utilizando ambas as teorias resultaram em catástrofes matemáticas e teóricas que pareciam intransponíveis. Por um lado, temos uma teoria que explica o funcionamento em escalas astronômicas, por outro, uma teoria que explica o funcionamento do Universo a nível subatômico, mas nunca ambas ao mesmo tempo. A impossibilidade de incorporar a relatividade na mecânica quântica ocorre devido à gravidade.

A relatividade geral se baseia em que a gravidade é causada por deformações na estrutura no tecido do espaço-tempo criando, assim, o fenômeno da gravidade. Porém, mesmo essas deformações devem ser sutis e as flutuações quânticas aleatórias fazem com que a gravidade, ou seja, o tecido do espaço-tempo fique “mutilado” em nível quântico, o que destrói a teoria e a matemática da relatividade. Tudo no Universo que está próximo à distância de Planck (um milionésimo de bilionésimo de bilionésimo de bilionésimo de centímetro) sofre com violentas aleatoriedades da espuma quântica, o que impossibilita a junção dessas teorias de forma convencional.

Sabendo disso, os físicos se viram diante da necessidade de criação de uma nova teoria que fosse poderosa o suficiente para explicar todos os fenômenos de forma matematicamente consistente. E é nesse cenário de apostas e incertezas que surge a teoria das cordas, uma teoria que é capaz de incorporar a gravidade na mecânica quântica e dar fim há anos e anos de luta.


Breve introdução à história da teoria das cordas


Gabriele Veneziano foi um jovem físico que em 1968 estava tentando descobrir o sentido de algumas propriedades da força nuclear forte que haviam sido descobertas há pouco tempo de maneira experimental. Veneziano, então um pesquisador do CERN (Centro Europeu de Pesquisas Nucleares), já estava trabalhando nisso há algum tempo quando teve uma brilhante revelação: percebeu que uma fórmula imaginada cerca de 200 anos antes pelo brilhante matemático Leonhard Euler podia descrever de uma vez só todas as propriedades das partículas que possuem interação forte.

A fórmula utilizada para tal é chamada de função beta de Euler e não passa de uma equação puramente matemática sem fins físicos aplicáveis até então. Com essa descoberta, uma grande quantidade de pesquisas em relação à aplicação da função beta de Euler às partículas de interação forte foram feitas. Contudo, ninguém sabia o motivo da fórmula funcionar. Ela se encaixava sem erros, mas por quê? Essa pergunta importunou os cientistas até 1970, quando Yoichiro Nambu e Holger Nielsen mostraram os princípios físicos da função de Euler, demonstrando que se as partículas elementares fossem formadas de minúsculas cordas vibrantes e unidimensionais, suas interações poderiam ser descritas exatamente pela função de Euler.

A recém criada teoria das cordas era simples e funcional, mas não tardou muito para o cenário se inverter. Os resultados das experiências de alta energia foram capazes de fornecer cada vez mais dados, e mais precisos. E foram esses dados que mostraram que muitas das previsões da teoria das cordas estavam erradas. Na mesma época, desenvolvia-se a cromodinâmica quântica, a teoria quântica de campo das partículas puntiformes de interação forte (como o quark). O sucesso fenomenal da cromodinâmica quântica levou ao abandono da teoria das cordas pela grande maioria dos físicos.
Todavia, não foram todos os físicos que abandonaram a teoria das cordas. Como Schwarz disse "a estrutura matemática da teoria das cordas era tão bonita e tinha tantas propriedades miraculosas que isso não podia deixar de indicar algo profundo". E foi seguindo essa lógica que as pesquisas continuaram.

Até que em 1974, Schwarz e Joël Scherk deram um grande avanço para a teoria, pois, ao estudar a propriedade das cordas vibrantes, descobriram que existia a possibilidade de um padrão vibratório que criasse a hipotética partícula mensageira da força gravitacional, o gráviton. E esse foi um salto gigantesco, pois foi a primeira teoria quântica que incluía também a gravidade.

Apesar da grandiosidade da teoria, ela foi praticamente ignorada pelos cientistas. Isso só mudou em 1984 quando Green e Schwarz provaram que a teoria conseguia incorporar as quatro forças e toda a matéria. O resultado dessa pesquisa foi se espalhando e pouco a pouco os físicos largavam suas áreas de pesquisa para trabalhar na teoria das cordas.

O período entre 1984 e 1986 ficou conhecido como a primeira revolução das supercordas, pois nesse pequeno intervalo de tempo publicaram-se mais de mil trabalhos sobre a teoria das cordas em todo o mundo. As pesquisas mostraram que essa teoria conseguia incorporar e explicar todo o modelo padrão, além de incorporar a gravidade, coisa que o modelo padrão não podia fazer. Apesar dos avanços cada vez mais rápidos, um fato fez com que os pesquisadores da teoria das cordas se vissem diversas vezes em ruas sem saída. O nível de complexidade das equações necessárias para entender a teoria das cordas é absurdo. Muitas vezes o que os físicos fazem é encontrar aproximações para as “verdadeiras” equações e dentro da teoria das cordas a simples missão de encontrar as aproximações se mostraram verdadeiras batalhas. Muitas das equações tiveram que ser terminadas por supercomputadores, porém as aproximações encontradas mostraram aos cientistas que elas simplesmente não eram boas o bastante descrevendo a realidade. Com esse novo obstáculo, muitos cientistas abandonaram a teoria das cordas, que se viu mais uma vez relegada.

Então, em 1995, em conferência realizada na University of Southern California, o físico Edward Witten anunciou um plano para os passos seguintes no avanço da teoria. Nessa conferência, Witten deu início à chamada segunda revolução das supercordas, que vem ocorrendo até os dias de hoje. Com os métodos propostos por Witten, os físicos veem trabalhando arduamente para superar os obstáculos que impedem que ela se torne a teoria definitiva.


A essência da teoria das cordas


Esta teoria nos mostra um mundo totalmente novo e desafia nossa intuição. Porém, é a única teoria que atualmente obtém sucesso onde tantas outras falharam. Enquanto o modelo padrão diz que as partículas elementares são puntiformes e simplesmente desprovidas de estrutura interna, a teoria das cordas nos mostra que na verdade as cordas são a estrutura elementar das partículas. Então percebemos que as cordas são responsáveis pelas características do Universo, logo, responsáveis pela evolução do próprio Universo.

As implicações físicas de ter cordas vibrantes como estrutura fundamental das partículas ditas elementares é imensa, porém cada uma dessas implicações requerem páginas e mais páginas de explicações e, por isso, serão discutidas somente as fundamentais. A principal implicação de cordas no lugar de partículas puntiformes é que as cordas podem resolver de uma vez por todas o conflito entre a relatividade geral e a física quântica. Em segundo lugar, podemos citar o fato de as cordas nos possibilitarem criar uma teoria realmente unificada. Enquanto a chamada teoria quântica de campo unificado falha de forma colossal ao tentar incorporar a gravidade (fato esse que é necessário para a criação de uma teoria unificada) a teoria das cordas nos dá uma teoria que, além de incorporar a gravidade, consegue explicar a existência de todas as partículas, de todas as forças e interações simplesmente porque elas provêm de um único elemento primordial: cordas vibrantes. Outra implicação é que a teoria das cordas “cria” novas dimensões. A partir da criação da relatividade, passamos a ver o Universo com quatro dimensões (três espaciais e uma temporal). Já a teoria das cordas nos diz que na verdade o Universo possui onze dimensões das quais três são espaciais, uma temporal e sete dimensões distorcidas com tamanho aproximado à distância de Planck, que só seriam acessíveis às próprias cordas.

Eis que finalmente os físicos possuem uma teoria que pode explicar todos os fenômenos do Universo. A persistência e a curiosidade dos físicos criaram a teoria das cordas que nos ajudará a entender de forma mais ampla o funcionamento do Universo. Como o físico Stephen Hawking mesmo disse: "esse é o primeiro passo no rumo do conhecimento da mente de Deus".

Mais sobre: Cordas física quântica
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