Teoria das Cordas se une com a Gravitação Quântica em Loop para formar a Teoria de Tudo

Duas principais candidatas para uma "teoria de tudo", consideradas incompatíveis, podem ser dois lados da mesma moeda.

Oito décadas se passaram desde que os físicos perceberam que as teorias da mecânica quântica e da gravidade não se encaixam, e o quebra-cabeça de como combiná-las permanece sem solução. Nas últimas décadas, os pesquisadores têm buscado o problema em dois programas distintos - a teoria das cordas e a gravitação quântica em loop - que são amplamente consideradas incompatíveis por seus praticantes. Mas agora, alguns cientistas argumentam que a união de forças é o caminho a seguir.

Entre as tentativas de unificar as teorias quântica e gravitacional, a teoria das cordas tem atraído a maior atenção. Sua premissa é simples: Tudo é feito de minúsculas cordas. As cordas podem ser fechadas em si mesmas ou terem pontas soltas; elas podem estar submetidas a processos como vibrar, esticar, juntar ou dividir. E, nessas múltiplas aparições, encontram-se as explicações para diversos fenômenos que observamos, tanto de matéria e espaço-tempo incluído.

A gravitação quântica em loop, por outro lado, está preocupada menos com o assunto que habita o espaço-tempo do que com as propriedades quânticas deste. Na gravidade quântica em loop, ou LQG, o espaço-tempo é uma rede. O fundo liso da teoria da gravidade de Einstein é substituído por nós e links para que propriedades quânticas são atribuídos à teoria. Desta forma, o espaço é construído de pedaços discretos. A LQG é, em grande parte, um estudo desses pedaços.

                                                  

Esta abordagem tem sido pensada incompatível com a teoria das cordas. Na verdade, as diferenças conceituais são óbvias e profundas. Para começar, a LQG estuda bits de espaço-tempo, enquanto que a teoria das cordas investiga o comportamento de objetos dentro do espaço-tempo. Problemas técnicos específicos separam os campos. Dessa forma, a teoria das cordas requer que o espaço-tempo tenha 10 dimensões enquanto o  LQG não funciona em dimensões superiores. A teoria das cordas também implica na existência de supersimetria, em que todas as partículas conhecidas têm parceiras ainda não detectadas. A Supersimetria não é uma característica da LQG.

Estas e outras diferenças têm dividido a comunidade física teórica em campos profundamente divergentes. "Conferências têm segregado", disse Jorge Pullin, físico da Universidade Estadual da Louisiana e co-autor de um livro didático da LQG. "As pessoas 'Loopy' vão para conferências 'Loopy'. Pessoas 'Stringy' vão para conferência das cordas. Eles nem sequer vão a conferências  de 'física' de qualquer maneira. Eu acho que é lamentável que isso tenha se desenvolvido desta maneira."

Mas, um número de fatores pode aproximar estes campos. Novas descobertas teóricas revelaram potenciais semelhanças entre a LQG e a teoria das cordas. A jovem geração de teóricos das cordas começou a olhar esta teoria fora de métodos e ferramentas úteis para criar uma "teoria de tudo". E um paradoxo  bruto envolvendo buracos negros e perda de informações tem dado a todos uma nova dose de modéstia.

Além disso, na ausência de evidência experimental para qualquer teoria das cordas ou LQG, a prova matemática de que as duas estão, de fato, em lados opostos de uma mesma moeda, reforçará o argumento de que os físicos estão progredindo em direção a teoria mais adequada de tudo. Combinar a LQG e a teoria das cordas seria realmente torná-las o único jogo na cidade.

Uma ligação inesperada

Um esforço para resolver alguns dos problemas internos do LQG levou à primeira ligação surpreendente com a teoria das cordas. Os físicos que estudam LQG não têm uma compreensão clara de como diminuir o zoom de sua rede de pedaços do espaço-tempo e chegar a uma descrição de grande escala do mesmo que se encaixe com a teoria geral da relatividade de Einstein - a nossa melhor teoria da gravidade. Mais preocupante ainda, a sua teoria não pode conciliar o caso especial em que a gravidade pode ser negligenciada. É um mal-estar que se abate sobre qualquer abordagem dependente da robustez do espaço-tempo: Na teoria da relatividade especial de Einstein, um objeto aparece contraído dependendo de quão rápido um observador se mova em relação a ele. Esta contração também afeta o tamanho dos pedaços de espaço-tempo, que, depois, são percebidos de forma diferente pelos observadores com velocidades diferentes. A discrepância leva a problemas com o princípio central da teoria de Einstein - que as leis da física devem ser as mesmas, não importa a velocidade do observador.

"É difícil introduzir estruturas discretas sem correr em dificuldades com a relatividade especial", disse Pullin. Em seu breve artigo escrito em 2014, com o colaborador freqüente Rodolfo Gambini, (físico da Universidade da República, em Montevidéu, Uruguai), Pullin argumentou que fazer a LQG compatível com a relatividade especial requer interações que são semelhantes às encontradas na teoria das cordas.

As duas abordagens têm algo em comum e parecia propensa para Pullin, desde a descoberta seminal no final de 1990 por Juan Maldacena, (físico do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, NJ Maldacena). Maldacena combinou a uma teoria gravitacional chamada de espaço-tempo anti-de Sitter (AdS) com uma teoria de campo (CFT - o "C" é para "conformado") no limite do espaço-tempo.  Ao usar essa identificação AdS / CFT, a teoria gravitacional passa a ser descrita por um melhor entendimento da teoria de campo.

A versão completa da dualidade é uma conjectura, mas tem um caso limite bem entendido em que a teoria das cordas não desempenha nenhum papel. Uma vez que cordas não importam neste caso limite, deve ser partilhado por qualquer teoria da gravidade quântica. Pullin vê isso como um ponto de contato.

Herman Verlinde, (físico teórico da Universidade de Princeton que frequentemente trabalha na teoria das cordas), acha plausível que os métodos de LQG podam ajudar a iluminar o lado da gravidade da dualidade. Em um artigo recente, Verlinde observou AdS / CFT em um modelo simplificado com apenas duas dimensões do espaço e uma de tempo, ou "2 + 1" como dizem os físicos. Constatou então que o espaço de anúncios pode ser descritos por uma rede, como aquelas usadas ​​em LQG, mesmo que a construção atualmente só funcione no 2 + 1, oferecendo uma nova maneira de pensar  sobre a gravidade. Verlinde espera generalizar o modelo de dimensões superiores. " A Gravidade quântica em loop foi vista muito restritiva. Minha abordagem é inclusiva." disse ele.

Mas, mesmo tendo métodos LQG combinados com sucesso à teoria das cordas para avançar no espaço anti-de Sitter, a questão permanece: Quão útil é essa combinação? Espaços-tempo Anti-de Sitter têm uma constante cosmológica negativa (um número que descreve a geometria em grande escala do universo); nosso universo tem uma forma positiva. Nós apenas não habitamos a construção matemática que é o espaço AdS.

Verlinde é pragmático. "Uma idéia é que [para uma constante cosmológica positiva] é necessária uma nova teoria", disse ele. "Então, a questão é: quão diferente que a teoria irá se parecer?. AdS é, no momento, a melhor dica para a estrutura que estamos procurando, e então temos que encontrar o toque para obter uma constante cosmológica positiva "Ele acha que é tempo bem gasto". Embora [AdS] não descreva o nosso mundo, nos ensinará lições que nos guiem para onde ir ".

Indo juntas para um Buraco Negro

Tanto Verlinde quanto Pullin  apontam  uma  oportunidade para a teoria das cordas e a gravitação quântica em loop se unirem: o destino misterioso de informação que cai em um buraco negro. Em 2012, quatro pesquisadores, da Universidade da Califórnia, Santa Barbara, destacaram uma contradição interna na teoria predominante. Argumentaram que a exigência de um buraco negro para deixar informações fugirem iria destruir a estrutura delicada do espaço vazio em torno horizonte deste, criando assim uma barreira altamente energética -  o "Firewall" do buraco negro. Este firewall, no entanto, é incompatível com o princípio da equivalência que subjaz à relatividade geral, que sustenta que os observadores não pode cruzar o horizonte de eventos. Esta  incompatibilidade irritou os teóricos das cordas, por pensarem que  entenderiam as informações buraco negro e agora deverão rever suas pranchetas.

Mas este não é um dilema apenas para os teóricos das cordas. "Toda essa discussão sobre os firewalls de buracos negros ocorreu principalmente dentro da comunidade da teoria das cordas, o que eu não entendo", disse Verlinde. "Estas perguntas sobre informação quântica e emaranhamento, e como construir um espaço tempo [matemático] de Hilbert - que é exatamente o que as pessoas na gravidade quântica em loop têm vindo trabalhando há muito tempo."

Enquanto isso, em um desenvolvimento que passou despercebido por grande parte da comunidade das cordas, a barreira já representou dimensões extras e supersimetria e isso se está adequado aos modelos teóricos. Um grupo em torno de Thomas Thiemann (Universidade Friedrich-Alexander em Erlangen, Alemanha), prorrogou a LQG para dimensões maiores e incluiu a supersimetria, (tanto dos quais confuso, mais uma vez o mor juste) foram anteriormente o território da teoria das cordas.

Mais recentemente, Norbert Bodendorfer, (ex-aluno de Thiemann, atualmente na Universidade de Varsóvia), aplicou métodos de quantização em loop da LQG para espaço anti-de Sitter. Ele argumenta que LQG pode ser útil para a  dualidade AdS/CFT em situações em que os teóricos das cordas não sabem como executar cálculos gravitacionais. Bodendorfer propõe que o antigo abismo entre a teoria das cordas e LQG está desaparecendo. "Em algumas ocasiões eu tive a impressão de que os teóricos das cordas sabiam muito pouco sobre LQG e não queriam falar sobre isso", disse ele. "Mas [a] as pessoas mais jovens na teoria das cordas têm  mentes abertas. Eles estão muito interessados ​​o que está acontecendo na interface. "

"A maior diferença está em como definimos nossas perguntas", disse Verlinde. "É mais sociológica do que científica, infelizmente." Ele não acha que as duas abordagens sejam conflitantes : "Eu sempre vi [a teoria das cordas e gravidade quântica em loop] como partes da mesma descrição. LQG é um método, não é uma teoria. É um método de pensar em mecânica quântica e geometria. É um método que os teóricos das cordas podem usar e estão realmente usando. Essas coisas não são incompatíveis. "

Nem todo mundo está tão convencido. Moshe Rozali, (teórico das cordas da Universidade de British Columbia), permanece cético em relação a LQG: "A razão pela qual eu pessoalmente não trabalho em LQG é a questão com a relatividade especial", disse ele. "Se a sua abordagem não respeitar as simetrias da relatividade especial, desde o início, então você basicamente precisa de um milagre para acontecer em um de seus passos intermediários." Ainda assim, Rozali afirma que algumas das ferramentas matemáticas desenvolvidas na LQG podem ser funcionais. "Eu não acho que há alguma probabilidade de que a teoria das cordas e a LQG vão convergir para um meio-termo", disse ele. "Mas os métodos são o que as pessoas normalmente se preocupam, e estes são semelhantes o suficiente; os métodos matemáticos podem ter alguma sobreposição. "

Nem todos que defendem a  LQG esperam que as duas teorias irão se fundir um dia. Carlo Rovelli, (físico da Universidade de Marselha, um dos fundadores da LQG), defende seu campo ascendente. "O mundo das cordas é infinitamente menos arrogante do que há dez anos, especialmente depois da amarga decepção do não-aparecimento de partículas supersimétricas", disse ele. "É possível que as duas teorias possam ser partes de uma solução comum ... mas eu me acho que é improvável. A teoria das cordas parece-me que não conseguiu entregar o que havia prometido nos anos 80, e é uma das muitas "boa-ideia-mas-a-natureza-não-era-assim" que marcam a história da ciência. Eu realmente não entendo como as pessoas podem ainda ter esperança nela. "

Para Pullin, declarar a vitória parece prematuro: "Há pessoas da LQG agora dizendo: 'Nós somos o único jogo na cidade." Eu não concordo com essa forma de argumentar. Eu acho que ambas as teorias são muito incompletas. "

Traduzido e adaptado de Quanta Magazine