Teoria das cordas - Parte 1

TEORIA DAS CORDAS

   A física moderna repousa em dois pilares, um é a Relatividade geral de Albert Einstein, que fornece a estrutura teórica para a compreensão do universo nas maiores escalas: estrelas, galáxias, aglomerados de galáxias, até além da imensa extensão total do cosmos, o outro é a Mecânica Quântica (na qual explicaremos futuramente), que fornece a estrutura teórica para a compreensão do universo nas menores escalas: moléculas, átomos, descendo até as partículas subatômicas, como elétrons e Quarks. Depois de anos de pesquisa, os cientistas já confirmaram experimentalmente, e com precisão quase inimaginável, praticamente todas as previsões feitas por essas duas teorias. Mas esses mesmos instrumentos teóricos levam de forma inexorável a uma outra conclusão perturbadora: tal como atualmente formuladas, a Relatividade geral e a Mecânica Quântica não podem estar certas ao mesmo tempo. As duas teorias que propiciaram o fabuloso progresso da física nos últimos cem anos (progresso que explicou a expansão do espaço e a estrutura fundamental da matéria) são mutuamente incompatíveis.

   Se você ainda não ouviu falar dessa feroz controvérsia, deve estar se perguntando qual a razão dela, a resposta não é difícil. Em praticamente todos os casos, com exceção dos mais extremos, os físicos estudam coisas que ou são pequenas e leves (como os átomos e as partículas que os constituem) ou enormes e pesadas (como as estrelas e as galáxias), mas não ambos os tipos de coisas ao mesmo tempo.Isso significa que eles só necessitam utilizar ou a Mecânica Quântica ou a Relatividade geral, e podem desprezar sem maiores preocupações as advertências do outro lado. Porém o universo está cheio de casos extremos. Nas profundezas do interior de um buraco negro uma massa enorme fica comprimida a ponto de ocupar um espaço minúsculo. No momento do Big Bang, o universo inteiro emergiu de uma pepita microscópica, perto da qual um grão de areia é algo colossal. Esses são mundos mínimos mas incrivelmente densos, que por isso requerem o emprego tanto da Mecânica Quântica quanto da relatividade geral. Por motivos que ficarão mais claros à medida que avançarmos, as equações da relatividade geral e da mecânica quântica, quando combinadas, começam a ratear, trepidar e fumegar, como um carro velho. Falando de maneira menos figurativa, quando se juntam as duas teorias, os problemas físicos, ainda que bem formulados, provocam respostas sem sentido. Mesmo que nos resignemos a deixar envoltas em mistério, questões difíceis como o que ocorre no interior dos buracos negros ou como se deu a origem do universo, não se pode evitar a sensação de que a hostilidade entre a Mecânica Quântica e a Relatividade geral clama por um nível de entendimento mais profundo.

   Os gregos antigos propuseram que a matéria do universo é composta por partículas mínimas e indivisíveis, que denominaram de átomos, assim como em uma língua alfabética, as incontáveis palavras são o resultado de um enorme número de combinações de um pequeno número de letras, eles supuseram que a grande variedade de objetos materiais também fosse o resultado das combinações de uma pequena variedade de partículas ínfimas e elementares. Foi uma suposição clarividente, mas mais de 2 mil anos depois, ainda acreditamos nela, embora a identidade dessas unidades fundamentais tenha sofrido numerosas revisões. No século XIX os cientistas demonstraram que muitas substâncias familiares, como o Oxigênio e o Carbono, tinham um limite mínimo para o seu tamanho. Seguindo a tradição dos gregos eles os chamaram átomos, o nome ficou, embora a história tenha revelado que ele era inadequado, uma vez que hoje sabemos que os átomos são divisíveis.

    Durante algum tempo os físicos acreditaram que os prótons, nêutrons e elétrons fossem os verdadeiros "átomos" dos gregos, mas em 1968, experiências de alta tecnologia feitas no Stanford Linear Accelerator Center (Centro do Acelerador Linear de Stanford) para pesquisar as profundezas microscópicas da matéria, revelaram que os prótons e nêutrons são formados por três partículas menores chamadas Quarks. As experiências confirmaram ainda que os Quarks apresentam-se em duas variedades, que receberam os nomes (algo menos criativos) de Up e Down. Um Próton consiste de dois Quarks Up e um Down; um Nêutron consiste de um Quark Up e Dois down.

   Os físicos continuaram a provocar choques entre partículas, usando tecnologias cada vez mais poderosas e níveis de energia cada vez mais altos, recriando, por um momento, condições que nunca mais ocorreram depois do Big Bang. Entre os traços deixados pelos estilhaços dessas colisões, eles procuravam outros componentes fundamentais, que se iam somando a uma lista sempre crescente de partículas. Eis o que eles encontraram mais quatro Quarks (Charm, Strange, Bottom e Top).

  A Teoria das Cordas foi originalmente inventada para explicar as peculiaridades do comportamento dos Quarks.Em experimentos em aceleradores de partículas, os físicos observaram que o momento angular de um Quark é exatamente proporcional ao quadrado de sua energia. Nenhum modelo simples dos quarks foi capaz de explicar este tipo de relação. Isto levou ao desenvolvimento da teoria bosônica das cordas, que ainda é, geralmente, a primeira versão a ser ensinada aos estudantes. A necessidade original de uma teoria viável para os quarks foi completamente preenchida pela Cromodinâmica Quântica, a teoria dos Quarks e suas interações, tem-se a esperança agora que a Teoria das Cordas ou algumas de suas descendentes irão prover uma compreensão mais fundamental dos Quarks em si.

 O Universo existe da maneira que existe porque a matéria e as partículas de força têm as propriedades que têm. Mas haverá uma explicação científica para por que elas têm essas propriedades? A teoria das cordas oferece, pela primeira vez, um paradigma conceitual capaz de produzir uma maneira articulada de responder a essas perguntas. Primeiro vejamos a ideia básica. As partículas são as "letras" que formam toda a matéria. Assim como as suas correspondentes linguísticas, elas não parecem ter subestruturas internas. Mas a teoria das cordas diz o contrário. De acordo com ela, se pudéssemos examinar essas partículas com precisão ainda maior (um grau de precisão que está várias ordens de magnitude além da nossa capacidade tecnológica atual), verificaríamos que elas, em vez de assemelhar-se a um ponto, têm a forma de um laço (corda). Cada partícula contém um filamento, comparável a um elástico infinitamente fino, que vibra, oscila e dança, e os físicos chamaram de corda. A teoria das cordas acrescenta um novo nível microscópico (o do laço vibrante) à progressão já conhecida do átomo aos prótons, nêutrons, elétrons e quarks.

  O que são as cordas?

  As cordas são elementos indivisíveis, no mais puro sentido da palavra grega. Por serem os elementos constituintes absolutamente mínimos de tudo o que existe, elas representam o fim da linha. Todas as propriedades do mundo microscópico estão compreendidas em sua capacidade explicativa, para uma melhor compreensão desse aspecto, pensemos em cordas mais conhecidas, como as de um Violino. Cada uma delas pode experimentar uma enorme variedade (na verdade, um número infinito) de padrões vibratórios diferentes, conhecidos como ressonâncias. Esses são os padrões de ondas cujos picos e depressões ocorrem a espaços iguais e cabem perfeitamente entre os dois apoios fixos da corda. Os nossos ouvidos percebem esses diferentes padrões vibratórios ressonantes como diferentes notas musicais. As Cordas da Teoria das cordas têm propriedades similares, existem padrões vibratórios ressonantes que a corda pode aceitar devido a que os seus picos e depressões ocorrem a espaços iguais e cabem perfeitamente em sua extensão espacial, esse é o fato central: assim como os diferentes padrões vibratórios de uma corda de violino dão lugar a diferentes notas musicais, os diferentes padrões vibratórios de uma corda elementar dão lugar a diferentes massas e cargas de força, é mais fácil entender essa associação com relação à massa de uma partícula. A energia do padrão vibratório específico de uma corda depende da sua amplitude (o deslocamento máximo entre um pico e uma depressão) e do seu comprimento de onda (a distância entre um pico e o seguinte). Quanto maior a amplitude e quanto menor o comprimento de onda, tanto maior a energia. Isso corresponde ao que a nossa intuição poderia esperar (os padrões vibratórios mais frenéticos têm mais energia e os menos frenéticos têm menos energia). Aqui também o resultado pode ser visto como normal, uma vez que as cordas de Violino que são tocadas com mais vigor vibram com mais intensidade, enquanto as que são tocadas com mais delicadeza vibram com mais suavidade.

 Aprendemos com a relatividade especial que a energia e a massa são duas faces de uma mesma moeda: maior energia significa maior massa e vice-versa. Assim, de acordo com a teoria das cordas, a massa de uma partícula elementar é determinada pela energia do padrão vibratório da sua corda interna, as partículas mais pesadas têm cordas internas que vibram com mais energia e as partículas mais leves têm cordas internas que vibram com menos energia.Como a massa de uma partícula determina as suas propriedades gravitacionais, vemos que existe uma associação direta entre o padrão vibratório da corda e a reação da partícula à força gravitacional.

 Tamanho das cordas.

   Para a Teoria das Cordas fazer sentido, as cordas devem vibrar em onze dimensões, nós estamos acostumados á pensar que nosso universo tem apenas três dimensões (altura, largura e profundidade), e é isso que nós vemos. Einstein provou que o tempo também é uma dimensão, e com isso, o universo passou a ter quatro dimensões (altura, largura, profundidade e tempo), mas nesse caso o tempo é apenas o tempo mesmo.Na teoria das cordas, além da dimensão do tempo existem outras dez dimensões espaciais, que juntas chamamos de Hiperespaço. Até hoje ninguém conseguiu nem se quer imaginar uma quarta dimensão espacial, quem diria uma sexta ou décima. Mas porque nós não as vemos? Não a vemos porque essas outras dimensões estão em escalas muito pequenas.

Se você fosse do tamanho de um elétron conseguiria ver outras dimensões, mas não todas. Boa parte delas possuem o comprimento de Planck, que é a distância mínima do universo.

Cordas em onze  dimensões

   Essa é uma corda vibrando em onze dimensões, até agora essa teoria não foi comprovada, pois não podemos ver algo tão pequeno (isso é explicado por algumas leis da Mecânica quântica, e iremos falar em outro artigo. Para você ter uma ideia, nem o núcleo de um átomo não pode ser visto nem pelo microscópio mais potente do mundo e eu estou falando do núcleo de um átomo de Frâncio que é o maior de todos.

   Se a teoria das cordas estiver certa, a teoria da relatividade e da mecânica quântica poderão ser interpretadas em uma única teoria, que descreva todas as partículas e forças do universo, uma Teoria de Tudo.

• Veja também a Teoria das Cordas parte 2.

Fontes: Brasil Escola, Wikipedia, livro: O Universo Elegante - Brain Greene, e livro: Hiperespaco - Michio Kaku