segunda-feira, 7 de maio de 2012

A Teoria das Cordas


Dan Falk detalha como a "teoria das cordas" - a chamada teoria de tudo que explica a estrutura do universo.
Vivemos na terceira dimensão: você pode ir de norte a sul, de leste a oeste, para cima e para baixo. Bastante simples. Se você acrescenta uma dimensão a mais para o tempo - como sugeriu Albert Einstein - temos quatro. Mas, na verdade, são doze dimensões.
Isto é muito para a maioria de nós. E, até recentemente, teria sido bastante para a maioria dos físicos também. Mas os poucos anos passados tem trazido uma enxurrada de novas idéias sobre a estrutura do universo, e os físicos agora estão contemplando mundos multidimensionais que envergonham o nosso mundo tridimensional.
Tudo isto começa com a "teoria das cordas", que tenta unificar a gravidade com outras forças da natureza. Na imagem das "cordas", as porções mais fundamentais de matéria não são partículas de tipo ponto; são voltas de "cordas" unidimensionais. Mas para tornar consistente a teoria - para fazer funcionar a matemática - a teoria das cordas reside em ma estrutura envolvendo extras dimensões.
A teoria das cordas é a única teoria que conhecemos que consistentemente se coloca na mecânica quântica e na gravidade, e necessariamente tem outras dimensões, disse Lisa Randall da Universidade de Harvard. “Isto apenas não funciona se a teoria for fundamentalmente tridimensional", isto é, se a teoria contiver apenas três dimensões de espaço e uma de tempo. Assim, se esta teoria estiver correta, existem dimensões extras. E a pergunta não é porque elas estão lá; a pergunta é "o que acontece com elas? Elas fazem algo útil?"
A resposta à primeira pergunta - o que acontece às dimensões extras - parece ser: elas estão ao redor de nós, mas escondidas da vista. Isto é, elas são pensadas serem "curvadas" em escalas muito pequenas para serem vistas. Como uma analogia, pensem um copo
d água. Visto de longe, parece ser um bastão unidimensional. Somente quando você se aproxima vê a outra dimensão - a direção circular ao redor da circunferência do copo. A diferença entre as cordas e o copo de beber é meramente de escala: a teoria das cordas oculta dimensões e estas dimensões podem se curvar sobre distâncias tão curtas quanto 10{+-}{+3}{+3} centímetros (que é um decimal seguido de 32 zeros e então um 1) -- mais de um bilionésimo de bilhão de vezes menores que o núcleo de um átomo.
Contudo, os teóricos tem recentemente sugerido que a dobradura pode acontecer em uma escala maior, talvez perto do tamanho de um milímetro. A versão original da teoria das cordas foi bastante estranha, mas na década de 1990, os físicos vieram com uma versão mais refinada conhecida como "teoria M". Na nova imagem, as cordas unidimensionais deram lugares a membranas dimensionais superiores, ou "branes", para encurtar. Na medida em que os teóricos investigavam as propriedades destas membranas, eles descobriram que nem todas as extras dimensões precisavam ser curvadas. Algumas delas, de fato, podem ser infinitas.
Isto foi uma grande notícia para os cosmologistas, que tem sido acostumado a pensar em um cosmos tridimensional que começou de um big bang aproximadamente a 14 bilhões de anos atrás. Houve novos modelos do universo inspirados na teoria M e eles fazem o nosso cosmos tridimensional, comparativamente, parecer sólido. Estes novos modelos de "mundo em membranas" embebidas em uma estrutura maior chamada de "bulk," que tem ao menos quatro dimensões de espaço [e geralmente uma a mais de tempo]. De fato, ninguém consegue antever as quatro dimensões, assim se você quiser representar com o que se parece estes mundos de membranas, é melhor imaginar um modelo simples despido de dimensões. Agora, o nosso universo se torna uma folha bidimensional e o bulk se torna o espaço tridimensional comum. A parte notável desta teoria é que não há razão para presumir que o nosso universo - nossa 3-brane - seja único. Pode haver qualquer número de membranas "paralelas" ao longo do nosso bulk tridimensional. Pense em uma série de folhas de papel suspensas ao longo uma da outra.
Porque nós não percebemos estas outras membranas? Os teóricos acreditam que a maior parte das forças físicas conhecidas operem dentro somente de uma membrana em particular. Por exemplo, nós não podemos ver estas membranas paralelas porque a luz é governada pelo eletromagnetismo; fotos de luz são aprisionados, esbarram na superfície da nossa membrana. O mesmo acontece com as forças nucleares que operam dentro dos átomos. A matéria também é confinada: nós não podemos voar com espaçonaves para um outro mundo de membrana. A única exceção parece ser a gravidade: pensa-se que a gravidade pode "vazar" a membrana, talvez permitindo que os cientistas de uma membrana - um universo - infiram a presença de uma membrana paralela.
Se esta teoria estiver correta, pode explicar o mistério da "matéria negra" que tem intrigado os astrônomos por décadas, o mistério de porque o universo parece ser composto por algo mais que a normal matéria luminosa como as estrelas e galáxias. A matéria perdida, especulam os físicos, pode simplesmente ser matéria comum de uma destas membranas paralelas. Qualquer luz que isto emita permanecerá aprisionada em seu próprio mundo, mas a gravidade alcança o nosso.
"A única maneira pela quais estas membranas interagem é pela gravidade", disse Paul Steinhardt da Universidade de Princeton , um pioneiro no desenvolvimento das cosmologias de mundo em membrana. Um objeto pesado em uma membrana paralela "desenharia matéria [de sua própria membrana] para ele - mas nós não podemos tocar, sentir, ou ver isto, diz ele. "Assim isto nos parece um tipo de "matéria negra" De fato, a "matéria negra " pode ser matéria de uma outra membrana". O caso obviamente é ainda especulativo, diz o Prof. Steinhardt, "mas parece uma possibilidade natural".
Em 2001, ele e seus colegas desenvolveram uma particular imagem de mundo em membrana que eles chamaram de modelo "ekpyrotic" do universo. (o nome é de origem grega e significa "fogo cósmico.") Na imagem ekpyrotic, o big bang aparece sob uma luz inteiramente nova. Em lugar de uma primordial explosão marcando o início dos tempos, pode ter sido uma colisão entre a nossa membrana e uma membrana paralela que desencadeou a formação da matéria em nosso universo. Em outras palavras, o big bang não foi o começo; foi meramente uma transposição de uma época cósmica para outra. O Prof. Steinhardt mais tarde deu um passo adiante, sugerindo que tais colisões acontecem em intervalos regulares, produzindo um repetido ciclo de bangs e de crunches. Seu modelo cíclico traz à mente os modelos de universo oscilante de décadas passadas somente agora a idéia parecendo ter suporte na teoria das cordas e na teoria M.
"Imagine uma força entre estes dois mundos tridimensional que teriam a dirigi-los juntos, como se fossem duas folhas de borracha levadas juntas pela correnteza. Em intervalos regulares elas viriam juntas, se esmagariam juntas, criando certa quantidade de calor - que ele pensaria como radiação e matéria - e então se afastariam.
Muitos físicos importantes parecem intrigados, se não inteiramente persuadidos, pelos cenários de mundo em membrana como os modelos ekpyrotic e cíclicos. O físico de Cambridge Stephen Hawking, uma vez cético de extras dimensões, agora rotineiramente discute os mundos em membranas em seus trabalhos e conferências. (suas palestras públicas mais recentes tem sido intituladas "Brane New World").
De fato, a idéia das dimensões, extra, seria meramente filosofia [com uma pesada dose de matemática] se não houvesse modo de testar isto. Mas os teóricos acreditam que pode haver no mínimo três maneiras de testar indiretamente estas dimensões extras.
Primeiramente, por causa, que a gravidade parece estar intimamente ligada à estrutura do espaço, eles gostariam de examinar as interações gravitacionais de ambos em escalas de distâncias muito curtas e muito longas.
Os físicos também gostariam de dar uma olhada cuidadosa nas "ondas gravitacionais", ampliando e estreitando o espaço produzido por qualquer objeto maciço que está acelerando. Os primeiros detentores de ondas gravitacionais somente agora estão entrando em operação; eventualmente, eles podem revelar ondas de eventos cósmicos de alta energia como da colisão de buracos negros.
Mas estas ondas exóticas podem ser vistas indiretamente por um outro método. Pensa-se que as ondas gravitacionais "levaram" pelo universo inicial, e podem ter deixado sua impressão na radiação de fundo cósmico de microondas, a leve microonda ecoando o big bang. Se a radiação de fundo pode ser bastante de perto detalhada, pode rever as assinaturas daquelas antigas ondas gravitacionais, e talvez, permitir aos físicos distinguir entre mundos em membranas e os convencionais cenários do big bang.
Finalmente, as dimensões podem se revelar em experimentos com aceleradores de partículas como o Large Hadron Collider agora em construção pela CERN, perto de Genebra. Em certos tipos de colisão, algumas partículas produzidas podem ser vistas desaparecerem, levando energia para uma das dimensões ocultas.
"As extras dimensões são agora um campo competente", disse Joe Lykken do acelerador de partículas da Fermilab perto de Chicago.
Enquanto a idéia das extras dimensões costumava estar nas margens da física, ele diz que cedo pode ser dados duros que suportem - ou refutem - tais idéias. Você realmente pode ir adiante e fazer experimentos verificando estes modelos ou contradizendo-os. Isto é que torna agora este campo excitante.

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