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Teoria das Cordas. Créditos. Felipe Sérvulo

A Teoria das Cordas propõe que os constituintes fundamentais do universo são "cordas" unidimensionais em vez de partículas pontuais. O que percebemos como partículas são realmente vibrações em laços de corda, cada um com sua própria frequência característica. A teoria das cordas surgiu como uma tentativa de descrever as interações de partículas como prótons. Desde então, desenvolveu-se em algo muito mais ambicioso: uma abordagem para a construção de uma teoria unificada completa de todas as partículas e forças fundamentais.



As tentativas anteriores de unificar a física tiveram problemas incorporando a gravidade com as outras forças . A teoria das cordas não só abrange a gravidade, mas exige. A teoria das cordas também exige seis ou sete dimensões extras do espaço e que contém formas de ligação de grandes dimensões extras para os pequenas. O estudo da teoria das cordas também levou ao conceito de supersimetria, que seria o dobro do número de partículas elementares. Os praticantes estão otimistas de que a teoria das cordas, eventualmente, fazem previsões que podem ser testadas experimentalmente. A teoria das cordas já teve um grande impacto sobre a matemática pura, cosmologia (estudo do universo) , e da forma como os físicos de partículas interpretam experimentos, sugerindo novas abordagens e possibilidades para explorar.



Para melhor entendimento, apresentamos esta analogia:

[Imagine que uma corda de violão sendo afinada esticando-a sob uma certa tensão em toda a guitarra. Dependendo de como esta corda for tocada e  de quanto de tensão é aplicada, diferentes notas musicais serão criadas pela corda. De modo semelhante, na teoria das cordas, as partículas elementares que observamos nos aceleradores de partículas poderiam são as "notas musicais" ou modos de excitação das cordas elementares. Na teoria das cordas, como tocar guitarra, a sequência de caracteres deve ser esticada sob uma tensão, a fim de tornar-se animada. No entanto, as cordas da teoria das cordas estão flutuando no espaço-tempo, elas não estão amarrados a uma guitarra. No entanto, eles têm tensão. A tensão das cordas na teoria das cordas é denotada pela quantidade 1/(2 p a'), onde o a é pronunciado "prime alfa" e é igual ao quadrado da escala de comprimento da corda.]




Desde os anos 1930, quando foram propostas a teoria da Relatividade Geral e a Mecânica Quântica, ficou claro que as duas teorias não eram compatíveis entre si, já que a gravitação descrita pela teoria da Relatividade Geral é determinística e contínua, propriedades não aceitáveis pela Mecânica Quântica. Portanto desde o início do século XX, busca-se uma nova teoria que unifique estas teorias, formando uma Teoria de Tudo.


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 Theodor Kaluza


Em 1919, o matemático alemão-polonês Theodor Franz Edward Kaluza (1885-1945) propôs que o Universo poderia ter mais do que 4 dimensões, dando início à popular 5a dimensão. Em 1926 o matemático sueco Oskar Klein (1894-1977) propôs que o tecido do nosso Universo poderia ter dimensões estendidas e enroladas (dobradas sobre si mesmo).


Adicionando uma dimensão extra à Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein, Kaluza mostrou que as equações extra eram similares às de James Clerk Maxwell (1831-1879), unificando a teoria gravitacional de Einstein com a teoria do eletromagnetismo de Maxwell, mas mais tarde as constantes de acoplamento entre as teorias entraram em conflito com as observações experimentais.

Em 1968 Gabriele Veneziano, atualmente no CERN, descobriu que as funções $\beta$ de Leonhard Euler (1707-1783) descreviam várias propriedades da interação forte.

Em 1970, o japonês Yoichiro Nambu (1921-), da Universidade de Chicago, o dinamarquês Holger Bech Nielsen, do Niels Bohr Institute e  Holger NielsenLeonard Susskind, da Universidade de Stanford,  Leonard Susskind propuseram que cordas uni-dimensionais em vibração podiam ser descritas pelas funções $\beta$ de Euler, dando início à teoria de cordas. 

Em 1974, John H. Schwarz (1941-), do Caltech e Joël Scherk (-1980), da Ecole Normale Superior, mostraram que as partículas mensageiras de spin 2 existentes na teoria de cordas tinhas as propriedades do gráviton - o quantum da gravitação, demonstrando que a teoria de cordas descrevia não somente a interação forte, mas também a força gravitacional, sem introduzir infinitos.


A teoria das cordas cósmicas -- superstrings -- na forma atual, foi proposta em 1984 por Michael B. Green, do Queen Mary College, em Londres, e por John H. Schwarz, unificando a teoria de cordas com a supersimetria. Ela leva a um espectro de excitação com um número idêntico de férmions e bósons, e resolvendo o conflito quântico da teoria de cordas, pois mostrava que as anomalias anteriores se cancelavam. Nesta teoria, padrões vibracionais distintos de uma mesma corda fundamental (um loop), com comprimento de Planck (10-33 cm), dão origem a diferentes massas e diferentes cargas de força. Para que as anomalias sejam canceladas, a teoria requer a existência de 9 dimensões espaciais e uma dimensão temporal, com um total de 10 dimensões. As outras dimensões estão enroladas sobre si mesmo, com distâncias menores que o comprimento de Planck, e portanto não podem ser detectadas.

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Cada ponto do espaço tem estas dimensões extras, mas tão enroladas que não podem ser detectadas diretamente. Se as dimensões extras são associadas a espaços compactados -- para cada ponto do espaço-tempo quadri-dimensional -- seu tamanho reduzido é compatível com as observações.

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Na teoria atual, as dimensões extras se compactaram 10-43 segundos após a formação do Universo atual.

Michael James Duff (1949-), da Texas A&M University, Chris M. Hull e Paul K. Townsend, ambos da Universidade de Cambridge, calculam que a teoria precisa de 11 dimensões, e não somente 10. Se uma das dimensões enroladas é de fato uma outra dimensão temporal, e não somente espacial, uma viagem no tempo pode ser possível.

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Shing-Tung Yau


As dimensões extras não estão enroladas de maneira aleatória, mas em formas de Calabi-Yau, de Eugenio Calabi, da Universidade da Pennsylvania, e do chinês Shing-Tung Yau (1949-), da Universidade de Harvard, de acordo com o inglês-americano Philip Candelas (1951-), da Universidade do Texas em Austin, Gary T. Horowitz, da Universidade da Califórnia Santa Barbara, Andrew Strominger, de Harvard, e do americano Edward Witten (1951-), de Princeton. 

yaucalabi.gif compactacao

A grande vantagem da teoria de cordas é que as interação não ocorrem em pontos unidimensionais, mas sim em regiões muito pequenas.
interacoes

Princípio Holográfico


Enquanto a Teoria da Relatividade Geral de Einstein prevê que a informação se perde dentro de um buraco negro, a Teoria de Cordas prevê que a informação não se perde, pois as cordas são infitas, deixando a informação no horizonte do buraco negro.

O princípio holográfico é uma hipótese baseada em teorias da gravidade quântica, proposta por Gerard 't Hooft (1993, Dimensional Reduction in Quantum Gravity, pp. 10026, arXiv:gr-qc/9310026) e aperfeiçoada e interpretada através da Teoria de Cordas por Leonard Susskind [1995, The World as a Hologram, Journal of Mathematical Physics, 36 (11), 6377], afirmando que toda a informação contida num volume de espaço pode ser representada pela informação que reside na fronteira daquela região, já que a teoria de cordas admite uma descrição em dimensão mais baixa em que a gravidade aparece de uma forma holográfica [Charles Thorn; Raphael Bousso, 2002, The holographic principle, Reviews of Modern Physics, 74 (3), 825].

Este princípio foi inspirado pela determinação por Stephen Hawking de que a máxima entropia de qualquer região é proporcional ao raio ao quadrado (área), e não ao cubo (volume). Desta maneira, a informação sobre os objetos que entram em um buraco negro está contida nas flutuações superficiais do horizonte de evento, resolvendo o paradoxo da informação em um buraco negro, no âmbito da Teoria de Cordas.

Acredita-se que na próxima década, os aceleradores de partículas estarão encontrando evidências de supersimetria de  alta energia. Se estas evidências forem confirmadas, será um passo convincente para que a teoria das cordas se torne um bom modelo matemático para a Natureza nas escalas subatômicas.

Referências:

Brian Greene, 1999, The Elegant Universe
Michio Kaku & Jennifer Thompson, 1995, Beyond Einstein
John H. Schwarz, California Institute of Technolog
UFGRS - Teoria das Supercordas
Superstring Theory

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Autor Felipe Sérvulo

Graduado em Física pela UEPB. Mestrando em Cosmologia, gravitação e física das partículas pela UFCG. Possui experiência na área de divulgação científica com ênfase em astronomia, astrofísica, astrobiologia, cosmologia, biologia evolutiva e história da ciência. Possui experiência na área de docência informática, física, química e matemática, com ênfase em desenvolvimento de websites e design gráfico e experiência na área de artes, com ênfase em pinturas e desenhos realistas. Fundador do Projeto Mistérios do Universo, colaborador, editor, tradutor e colaborador da Sociedade Científica e do Universo Racionalista. Membro da Associação Paraibana de Astronomia. Pai, nerd, geek, colecionador, aficionado pela arte, pela astronomia e pelo Universo. Curriculum Lattes: http://lattes.cnpq.br/8938378819014229
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