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br>>>p> A Ciência das Supercordasbr>>>p>>>>br>>>p>p> Os físicos de hoje estão lutando com um dilema. Eles aceitaram duas teorias distintas que explicam como o universo funciona: A teoria geral da relatividade de Albert Einstein, que descreve o universo em grande escala, e a mecânica quântica, que descreve o universo em muito pequena escala. Ambas as teorias têm sido esmagadoramente apoiadas por evidências experimentais.

Felizmente, estas teorias não se complementam uma à outra. A relatividade geral, que descreve como a gravidade funciona, implica um universo suave e fluente de urdiduras e curvas no tecido do espaço-tempo. A mecânica quântica – com o seu princípio da incerteza – implica que, numa escala infinitamente pequena, o universo é um lugar turbulento e caótico, onde os eventos só podem ser previstos com probabilidades. Em dois casos onde as teorias concorrentes devem ser ambas aplicadas para descrever o big bang e as profundezas dos buracos negros – as equações se quebram.

A maioria dos físicos tem dificuldade em aceitar que o universo opera de acordo com duas teorias separadas (e às vezes contraditórias). Eles pensam que é mais provável que o universo seja governado por uma única teoria que explica todas as observações e dados.

The Hunt for One Theory

Por essa razão, os físicos estão à caça de uma teoria unificada. Tal teoria reuniria sob um só guarda-chuva as quatro forças da natureza: a gravidade, a mais fraca das quatro, como explicado pela relatividade geral; e o eletromagnetismo e as forças fortes e fracas, como explicado pela teoria do campo quântico. Einstein perseguiu uma teoria unificada tentando unir eletromagnetismo e gravidade.

Teoria das cordas, também chamada teoria das cordas, é a formulação atual desta busca em curso. A teoria das cordas tenta unificar as quatro forças, e ao fazê-lo, unificar a relatividade geral e a mecânica quântica. No seu núcleo está uma idéia bastante simples – todas as partículas são feitas de minúsculos fios vibratórios de energia. (A teoria das cordas tem o seu nome devido à aparência de cordas dessas cordas de energia). Ao contrário das cordas do dia-a-dia, estas cordas têm comprimento (em média cerca de 10-33 centímetros), mas não têm espessura. A teoria das cordas implica que as partículas que compõem toda a matéria que você vê no universo – e todas as forças que permitem que a matéria interaja – são feitas de minúsculos fios vibratórios de energia.

A teoria atualmente aceita e verificada experimentalmente de como o universo funciona em escalas subatômicas sustenta que toda a matéria é composta de – e interage através de – partículas de ponto de passagem. Conhecida como Modelo Padrão, esta teoria descreve as partículas elementares e três das quatro forças fundamentais que servem como blocos de construção para o nosso mundo (ver a tabela de Partículas Elementares e a tabela de Partículas de Força Fundamental para uma listagem dessas partículas). Esta teoria não inclui a gravidade.

Na teoria das cordas, cada tipo de partícula de matéria elementar – e cada tipo de partícula portadora de força fundamental que medeia as interações entre as partículas de matéria – corresponde a um padrão vibracional de cordas único, de certa forma como notas diferentes tocadas por um violino correspondem a vibrações de cordas únicas. Como uma corda vibra determina as propriedades – tais como carga, massa e spin-of a partícula que ela é. As equações da teoria das cordas podem dar origem a partículas elementares como as actualmente conhecidas (electrões, quarks, fotões, etc.), mas como ainda não é possível fazer previsões numéricas detalhadas, é difícil saber se a variedade de possíveis padrões vibracionais contabiliza correctamente todas as partículas conhecidas de matéria e portadoras de força. As cordas podem ser abertas ou fechadas para formar um loop. Se uma cadeia é aberta ou fechada determina o tipo de interações que ela pode sofrer.

É a natureza das cadeias que unifica a relatividade geral e a mecânica quântica. Sob a teoria do campo quântico, as partículas interagem a uma distância zero no espaço-tempo. Sob a teoria geral da relatividade, a partícula portadora de força teorizada para a gravidade, o gravitão, não pode operar a distância zero. As cordas ajudam a resolver este dilema. Por serem unidimensionais e terem comprimento, elas “mancham” as interações em pequenas distâncias. Esta mancha suaviza o tempo espacial o suficiente para que o gravitão interaja com outras partículas de campo quântico, unificando assim os dois conjuntos de leis.

A Hefty Price Tag

Mas a teoria das cordas, por toda a sua elegância, vem com um preço. Para que a teoria seja consistente, o universo deve ter mais de três dimensões espaciais. Na verdade, a teoria das cordas prevê um universo com nove dimensões espaciais e uma dimensão temporal, para um total de 10 dimensões. (A versão mais atual da teoria das cordas prevê 11 dimensões.) As nove dimensões espaciais consistem nas três dimensões estendidas que experimentamos na vida cotidiana, mais seis dimensões teorizadas minúsculas, enroladas, que não podem ser vistas com as tecnologias existentes. Estas seis dimensões extras ocorrem em todos os pontos do mundo tridimensional familiar. A existência de mais de três dimensões espaciais é um conceito tão difícil de entender que nem mesmo os teóricos das cordas conseguem visualizá-lo. Eles frequentemente usam analogias para ajudar a imaginar estas abstrações.

Por exemplo, imagine um pedaço de papel com uma superfície bidimensional, plana. Se você enrolar essa superfície, ela formará um tubo, e uma dimensão se tornará enrolada. Agora imagine que você continua enrolando a superfície até que ela seja enrolada com tanta força que a dimensão interior enrolada parece desaparecer e o tubo simplesmente parece uma linha. De maneira semelhante, as dimensões extras previstas pela teoria das cordas são tão bem enroladas que parecem desaparecer na experiência diária.

Estas dimensões enroladas podem assumir certas configurações complexas conhecidas como formas Calabi-Yau. Infelizmente, dezenas de milhares de variações dessas formas existem, e é difícil saber quais delas podem representar corretamente as dimensões extras do nosso universo. É importante saber quais estão corretas porque é a forma dessas dimensões extras que determina os padrões das vibrações das cordas. Estes padrões, por sua vez, representam todos os componentes que permitem que o universo conhecido exista.

Estas dimensões extras podem ser tão pequenas quanto 10-35 metros ou tão grandes quanto um décimo de milímetro. Alternativamente, as dimensões extras podem ser tão grandes ou maiores do que o nosso próprio universo. Se for esse o caso, alguns físicos acreditam que a gravidade pode estar vazando através dessas dimensões extras, o que poderia ajudar a explicar porque a gravidade é tão fraca em comparação com as outras três forças.

É uma combinação

Teoria das cordas também exige que cada partícula de matéria conhecida tenha uma partícula “super” transportadora de força correspondente e que cada partícula transportadora de força conhecida tenha uma partícula “super” de matéria correspondente. Esta ideia, conhecida como super-simetria, ajuda a estabelecer uma relação entre as partículas de matéria e as partículas portadoras de força. Chamadas de superparceiros (ver “Partículas e Partículas” abaixo), estas partículas teorizadas são consideradas mais maciças do que as suas contrapartes conhecidas, razão pela qual ainda não foram observadas com aceleradores e detectores de partículas atuais.

br>* O gravitão e o bóson Higgs ainda não foram confirmados experimentalmente.Encontre uma lista completa de partículas e seus superparceiros propostos em “Elementary Particles” em www.pbs.org/nova/elegant/.

O potencial para o que a teoria das cordas poderia ajudar a explicar é enorme. Ela poderia revelar o que aconteceu no momento em que o universo começou. A teoria do big bang apenas descreve o que aconteceu após a primeira fração extremamente pequena de um segundo. Sob teorias convencionais, antes disso o Universo encolheu a tamanho zero – uma impossibilidade. Sob os auspícios da teoria das cordas, o universo pode nunca ter encolhido ao ponto de desaparecer, mas pode ter começado num tamanho minúsculo – o tamanho de uma única corda.

Teoria das cordas também pode ajudar a revelar a natureza dos buracos negros, que, embora previstos pela relatividade geral, nunca foram totalmente explicados a nível quântico. Usando um tipo de teoria das cordas, os físicos descreveram matematicamente os buracos negros em miniatura sem massa que – após sofrerem alterações na geometria das dimensões extras da teoria das cordas – reaparecem como partículas elementares com massa e carga. Alguns teóricos agora pensam que buracos negros e partículas fundamentais são idênticos e que suas diferenças percebidas refletem algo semelhante a transições de fase, como a transição de água líquida em gelo.

A teoria das cordas também abre a porta para diferentes hipóteses sobre a evolução e natureza do espaço e do tempo, tais como a forma como o universo poderia ter sido antes do big bang ou a capacidade do espaço de se rasgar e reparar ou de sofrer alterações topológicas.

When It All Started

A teoria das cordas não é totalmente nova. Ela tem evoluído desde o final dos anos 60. Em certo ponto, houve cinco variações da teoria. Então, em meados dos anos 90, surgiu uma teoria conhecida como Teoria M que unificou as cinco teorias. A teoria M é considerada o último passo na evolução da teoria das cordas (ver “Teoria M, Magia, Mistério, Mãe?” à direita).

br>A mais recente encarnação da teoria das cordas – a teoria das cordas – revelou que cinco versões anteriores da teoria das cordas eram apenas cinco aspectos diferentes de uma teoria.

Nenhuma parte da teoria das cordas foi experimentalmente confirmada. Isto é em parte porque os teóricos ainda não entendem a teoria o suficiente para fazer previsões definitivas. Além disso, pensa-se que as cordas são tão pequenas – menos de um bilionésimo de um bilionésimo do tamanho de um átomo – que tecnologias como aceleradores e detectores de corrente não são suficientemente poderosas para detectá-las (ver “Em busca do Fundamental” abaixo). Embora a teoria das cordas ainda não possa ser verificada experimentalmente, os físicos esperam que algumas de suas facetas possam ser apoiadas por evidências circunstanciais, como a demonstração da existência de:

• p>extra dimensões. Os físicos esperam que os aceleradores de partículas atuais ou futuros sejam capazes de ajudar a indicar a existência de dimensões extras. Os detectores podem medir a energia em falta que teria vazado de nossas dimensões para essas dimensões extras, possivelmente fornecendo evidências de que essas dimensões existem.

• superpartner particles. Os pesquisadores usarão aceleradores de partículas atuais e de próxima geração para procurar as partículas superparceiras previstas pela teoria das cordas.

• flutuações na radiação de fundo. O universo é permeado pela radiação uniforme da temperatura muito baixa de 2,7 graus Kelvin. Acredita-se que isto seja o que sobrou da temperatura original muito alta do big bang. Comparando as temperaturas de diferentes locais no céu com apenas cerca de 1 grau de diferença, foram encontradas diferenças de temperatura extremamente pequenas (na ordem de cem milésimos de um grau Kelvin). Os cientistas estão procurando diferenças ainda menores de temperatura de uma forma específica, que podem sobrar desde os primeiros momentos do big bang, quando as energias necessárias para criar cordas podem ter sido atingidas.

P>Visando o Fundamental

p>>br>> Enquanto os físicos que usam coliders encontraram evidências para a maioria das partículas de matéria e força que compõem o Modelo Padrão, eles ainda estão procurando uma partícula portadora de força teorizada chamada bóson Higgs. Este gráfico mostra as energias em que foram encontradas partículas e unificações de força ou teorizadas (círculos sólidos) e indica as energias que podem ser sondadas com coliders atuais ou planejados (círculos vazios). Os físicos esperam que o Grande Colisor de Hadrões doCERN na Suíça e na França – programado para entrar em linha em 2007 – possa revelar evidências do bóson Higgs, bem como indicações do gravitão teorizado e das partículas superparceiras elusivas. Unificar as forças fortes e eletroweak ou encontrar cordas teorizadas parece exigir energias de sondagem muito além do que as tecnologias atuais oferecem. Alguns teóricos, entretanto, acreditam que a energia das cordas pode estar mais próxima das energias atuais ou planejadas do acelerador.