Por que a Teoria-M é a principal candidata à Teoria de Tudo? - Mistérios do Universo

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18 de dezembro de 2017

Por que a Teoria-M é a principal candidata à Teoria de Tudo?

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A mãe de todas as teorias de cordas passa por um teste decisivo que, até agora, nenhuma outra teoria candidata à gravitação quântica tem sido capaz de corresponder.



Não é fácil ser uma “teoria de tudo”. A TOE (sigla em inglês para Theory Of Everything), tem a tarefa muito difícil de encaixar a gravidade nas leis quânticas da natureza de tal forma que, em grandes escalas, a gravidade se pareça como curvas no tecido do espaço-tempo, como Albert Einstein descreveu em sua teoria da relatividade geral. De alguma forma, a curvatura do espaço-tempo emerge como o efeito coletivo de unidades quantizadas de energia gravitacional - partículas conhecidas como grávitons. Mas as tentativas ingênuas para calcular como os grávitons interagem resultam em infinitos contrassensos, indicando a necessidade de uma compreensão mais profunda da gravidade.

A teoria das cordas (ou, mais tecnicamente, a teoria-M) é frequentemente descrita como a principal candidata à teoria de tudo em nosso universo. Mas não há nenhuma evidência empírica para ela, ou para todas as idéias alternativas sobre como a gravidade pode unificar-se com o resto das forças fundamentais. Por que, então, as cordas/teoria-M, tem vantagem sobre as outras?

A teoria famosa postula que grávitons, bem como elétrons, fótons e tudo o mais, não são partículas pontuais, mas sim pequenas fitas de energia imperceptíveis, ou “cordas”, que vibram de maneiras diferentes. O interesse na teoria das cordas cresceu em meados da década de 1980, quando os físicos perceberam que ela dava descrições matematicamente consistentes de gravidade quantizada. Mas as cinco versões conhecidas da teoria das cordas eram todos “perturbativa”, o que significa que quebrou em alguns regimes. Teóricos poderiam calcular o que acontece quando duas cordas-grávitons colidem em altas energias, mas não quando há uma confluência de grávitons extremas suficiente para formar um buraco negro.

Então, em 1995, o físico Edward Witten descobriu a mãe de todas as teorias de cordas. Ele encontrou vários indícios de que as teorias de cordas perturbativas se encaixam em uma teoria não perturbativa coerente, que ele apelidou de teoria-M. A teoria-M sintetiza cada uma das teorias das cordas em diferentes contextos físicos, mas não em si limites sobre o seu regime de validade - um requisito importante para a teoria de tudo. Ou então os cálculos de Witten sugeriu. “Witten poderia fazer estes argumentos sem escrever as equações da teoria-M, que é impressionante, mas deixou muitas perguntas sem resposta”, explicou David Simmons-Duffin, um físico teórico do Instituto de Tecnologia da Califórnia.

Outra explosão de pesquisas seguiu-se dois anos depois, quando o físico Juan Maldacena descobriu a correspondência AdS/CFT: Uma relação holográfica que conecta a gravidade em uma região do espaço-tempo chamada de espaço anti de-Sitter (AdS) - uma descrição quântica de partículas (chamada de “teoria do campo conformal”) movendo-se sobre o limite dessa região. AdS/CFT dá uma definição completa da teoria-M para o caso especial de geometrias espaço-temporais, que são infundidos com a energia negativa que os faz dobrar de uma maneira diferente do que o nosso universo faz. Para tais mundos imaginários, físicos podem descrever processos em todas as energias, incluindo, em princípio, a formação e a evaporação de um buraco negro. Os 16.000 documentos que citaram Maldacena ao longo dos últimos 20 anos em sua maioria visam a realização destes cálculos, a fim de obter uma melhor compreensão da AdS/CFT e da gravidade quântica.


Essa sequência básica de eventos que levou a maioria dos especialistas a considerar a M-teoria como a principal candidata à TOE, assim como a sua definição exata em um universo como o nosso, permanece desconhecida. Se a teoria estiver correta é uma questão completamente separada. As cordas - bem como as dimensões espaciais adicionais recurvadas que estas cordas supostamente se encontram  - são 10 milhões de bilhões de vezes menor do que os experimentos como o Large Hadron Collider podem investigar. E algumas assinaturas macroscópicas da teoria que poderia ter sido vista, tais como as cordas cósmicas e a supersimetria, não têm aparecido.

Outras idéias da TOE, entretanto, são vistas como tendo uma variedade de problemas técnicos, e nenhuma deles ainda repetiu manifestações da teoria das cordas de consistência matemática, tais como o cálculo de dispersão gráviton-gráviton. (De acordo com Simmons-Duffin, nenhuma das concorrentes conseguiram completar o primeiro passo, ou a primeira “correção quântica,” deste cálculo.) Um filósofo tem ainda argumentou que o status que da teoria das cordas é a única teoria consistente conta como evidência de que a teoria é correta.

Os concorrentes distantes incluem a gravidade assintoticamente segura, a teoria E8, geometria não-comutativa e sistemas de férmions causais. A gravidade assintoticamente segura, por exemplo, sugere que a força da gravidade pode mudar à medida que você vai para escalas menores, mas ninguém ainda obteve o truque para colocar a teoria para funcionar.

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