A teoria das cordas pode ser a teoria de tudo… ou uma estrutura falha para a física teórica

A teoria das cordas vira a página na descrição padrão do universo, substituindo todas as partículas de matéria e força por apenas um elemento: Pequenas cordas vibrantes que torcem e giram de maneiras complicadas que, da nossa perspectiva, parecem partículas. Crédito da imagem: Shutterstock

A teoria das cordas é a ideia da física teórica de que a realidade é composta de cordas vibratórias infinitesimais, menores que átomos, elétrons ou quarks. De acordo com essa teoria, à medida que as cordas vibram, torcem e dobram, elas produzem efeitos em muitas dimensões minúsculas que os humanos interpretam como tudo, desde a física de partículas até fenômenos de grande escala como a gravidade. 

A teoria das cordas tem sido apresentada como uma possível "teoria de tudo", uma estrutura única que poderia unir a relatividade geral e a mecânica quântica, duas teorias que fundamentam quase toda a física moderna. Embora a mecânica quântica se saia muito bem ao descrever o comportamento de coisas muito pequenas e a relatividade geral funcione bem para explicar como coisas muito grandes acontecem no universo, elas não funcionam bem juntas. Alguns cientistas pensam (ou pensavam) que a teoria das cordas poderia resolver os enigmas entre os dois, conquistando um dos principais problemas não resolvidos da física. 

Mas depois que a teoria das cordas ganhou destaque no final dos anos 1960 e 1970, sua popularidade entre os físicos teóricos flutuou, de acordo com uma palestra do físico do Instituto de Tecnologia da Califórnia John Schwarz, amplamente considerado um dos fundadores da teoria das cordas. Depois de inúmeros artigos, conferências e marcadores a seco, o avanço de tirar o fôlego que muitos esperavam parece mais distante do que nunca.

No entanto, o turbilhão de pensamentos em torno da própria ideia da teoria das cordas deixou uma marca profunda tanto na física quanto na matemática. Goste ou não (e alguns físicos certamente não gostam), a teoria das cordas veio para ficar.

O QUE É A TEORIA DAS CORDAS?

A teoria das cordas é uma estrutura que os físicos usam para descrever como as forças geralmente conceituadas em um nível gigantesco, como a gravidade, podem afetar pequenos objetos como elétrons e prótons. 

Na teoria da relatividade geral de Albert Einstein, a gravidade é uma força que distorce o espaço-tempo em torno de objetos massivos. É uma das quatro forças que os físicos usam para descrever a natureza. Mas ao contrário das outras forças (eletromagnetismo, força forte e força fraca), a gravidade é tão fraca que não pode ser detectada ou observada na escala de uma partícula. Em vez disso, seus efeitos são apenas perceptíveis e importantes na escala de luas, planetas, estrelas e galáxias. 

A gravidade também parece não existir como uma partícula própria. Os teóricos podem prever como uma partícula gravitacional deve se parecer, mas quando tentam calcular o que acontece quando dois desses "grávitons" se chocam, eles obtêm uma quantidade infinita de energia compactada em um pequeno espaço, um sinal claro, de acordo com o astrofísico Paul Sutter, em um artigo para Space.com, que está faltando algo na matemática.

Uma solução possível, que os teóricos tomaram emprestados dos físicos nucleares na década de 1970, é livrar-se da ideia de partículas grávitons problemáticas e pontuais. Cordas, e apenas cordas, podem colidir e rebater de forma limpa sem implicar infinitos fisicamente impossíveis.

A matemática da teoria das cordas exigia seis dimensões adicionais (para um total de 10) visíveis apenas para as pequenas cordas, assim como uma linha de energia parece uma linha 1D para pássaros voando muito acima, mas um cilindro 3D para uma formiga rastejando no fio. Crédito da imagem: Shutterstock

“Um objeto unidimensional, é isso que realmente doma os infinitos que surgem nos cálculos”, disse a especialista em teoria das cordas Marika Taylor, física teórica da Universidade de Southampton, na Inglaterra. 

A teoria das cordas vira a página na descrição padrão do universo, substituindo todas as partículas de matéria e força por apenas um elemento: Pequenas cordas vibrantes que torcem e giram de maneiras complicadas que, da nossa perspectiva, parecem partículas. Uma corda de um comprimento específico tocando uma nota específica pode ganhar as propriedades de um fóton, outra corda dobrada e vibrando com uma frequência diferente pode desempenhar o papel de um quark e assim por diante. 

Além de domar a gravidade, a teoria das cordas era atraente por seu potencial para explicar as chamadas constantes fundamentais, como a massa de um elétron. O próximo passo, esperavam os teóricos, seria encontrar a maneira correta de descrever a dobra e o movimento das cordas, e todo o resto deveria acompanhar.

Mas essa simplicidade inicial acabou custando uma complexidade inesperada; a matemática das cordas não funcionou em nossas quatro dimensões familiares (três de espaço e uma de tempo). Ela precisava de um total de 10 dimensões, com seis visíveis apenas para a perspectiva das pequenas cordas, assim como uma linha de força parece uma linha 1D para pássaros voando no alto, mas se torna um cilindro 3D para uma formiga rastejando no fio.

COMO A TEORIA DAS CORDAS EVOLUIU?

A teoria das cordas hoje não combina exatamente com a teoria das cordas dos anos 1960 e 1970. Os pesquisadores discordam sobre se, com modificações, ainda é o melhor candidato a uma "teoria de tudo" ou se os teóricos deveriam abandoná-la em favor de outros tópicos.

"Em 1973-74 havia muitas boas razões para parar de trabalhar na teoria das cordas", escreveu Schwarz. A atenção dos físicos desviou-se do que parecia ser uma exploração infrutífera de minúsculas cordas "moles" indetectáveis e, em vez disso, pegou evidências mais convincentes de hádrons, partículas subatômicas compostas de quarks cujas ações não podiam ser explicadas por cordas.

“O que tinha sido um empreendimento em expansão envolvendo várias centenas de teóricos rapidamente chegou a um impasse”, escreveu Schwarz. "Apenas alguns obstinados continuaram a persegui-la". 

Na década seguinte, alguns cientistas continuaram a buscar cinco versões diferentes da teoria das cordas. Com o tempo, os pesquisadores começaram a encontrar conexões inesperadas entre as cinco ideias, que Edward Witten, teórico do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, Nova Jersey, reuniu e apresentou em uma conferência de teoria das cordas de 1995 na Universidade do Sul da Califórnia. Witten argumentou que cada uma das cinco teorias das cordas representava uma aproximação de uma teoria mais fundamental, de 11 dimensões, à medida que se comportava em uma situação particular, tanto quanto as teorias da relatividade de flexão do espaço e do tempo de Einstein combinam com a descrição de Newton de objetos se movendo em velocidades normais. Esse foi o início de um spin-off (subproduto) da teoria das cordas: A teoria M.

O "M" provavelmente é inspirado em objetos de dimensões superiores chamados membranas, disse Taylor, mas como a teoria não tem equações matemáticas concretas, o "M" continua sendo um espaço reservado sem significado oficial. "Foi realmente uma parametrização da nossa ignorância", disse ela.

As tentativas de encontrar aquelas equações gerais que funcionariam em todas as situações possíveis fizeram pouco progresso, mas a suposta existência da teoria fundamental deu aos teóricos a compreensão e a confiança necessárias, para desenvolver técnicas matemáticas para as cinco versões da teoria das cordas e aplicá-las no contexto em que cada teoria funcionava.

Uma interpretação de um artista da teoria das cordas. Crédito da imagem: Science Photo Library via Getty Images

As cordas são muito pequenas para serem detectadas com qualquer tecnologia concebível, mas um dos primeiros sucessos teóricos foi a capacidade dos físicos de descrever a entropia dos buracos negros em um artigo de 1996 publicado na revista Physics Letters.

Entropia refere-se ao número de maneiras pelas quais você pode organizar as partes de um sistema, mas sem poder ver as profundezas impenetráveis de um buraco negro, ninguém sabe que tipo de partículas podem estar dentro ou quais arranjos elas podem tomar. E, no entanto, no início dos anos 1970, Stephen Hawking e outros usaram as leis da termodinâmica e, de acordo com um artigo publicado em 2020 na revista Physics, a mecânica quântica para calcular a entropia dentro de um buraco negro, sugerindo que os buracos negros devem ter algum tipo de estrutura interna. O que essa estrutura poderia ser permaneceu um mistério.

A maioria das tentativas de descrever a composição do buraco negro falhou, mas as configurações de cordas hipotéticas resolvem o problema. "A teoria das cordas foi capaz de fornecer uma contagem exata", disse Taylor, uma possível explicação real dos interiores dos buracos negros, não apenas uma ideia aproximada.

A estrutura da teoria das cordas ainda enfrenta muitos desafios, no entanto: Ela produz um número impossível de maneiras de dobrar as seis dimensões extras. Cada opção parece se encaixar nas amplas características do Modelo Padrão que governa a física de partículas, com pouca esperança de distinguir qual é a correta. Além disso, escreveu o astrofísico Ethan Siegel em seu blog Starts With a Bang, todos esses modelos para gerenciar as dimensões extras dependem de uma equivalência entre partículas de força e partículas de matéria chamada supersimetria. Mas, assim como as dimensões extras que a teoria das cordas exige, não observamos supersimetria em nosso mundo. 

Além dessas objeções, não está claro que a teoria das cordas, teoria M ou não, possa ser compatível com nossa compreensão moderna de um universo em expansão, repleto de energia escura, informou a Quanta Magazine em 2018. 

Vários físicos, como Peter Woit, da Universidade de Columbia, veem essas divergências da realidade como falhas fatais. "O problema básico com a pesquisa de unificação da teoria das cordas não é que o progresso tenha sido lento nos últimos 30 anos", escreveu ele em seu blog, "mas que tem sido negativo, com tudo aprendido mostrando mais claramente por que a ideia não funciona".

Taylor, no entanto, sustenta que os modelos de hoje são excessivamente simplistas e que recursos como expansão cosmológica e falta de supersimetria podem um dia ser incorporados em versões futuras. Taylor espera que, embora a nova era da astronomia de ondas gravitacionais possa trazer novas informações sobre a gravidade quântica, mais progresso será feito ao continuar a seguir a matemática mais profundamente na teoria das cordas.

"Tenho um viés teórico", disse ela, "mas acho que o tipo de avanço que estou descrevendo viria de um quadro-negro; do pensamento".

POR QUE A TEORIA DAS CORDAS AINDA É IMPORTANTE?

Independentemente de a teoria das cordas poder ser transformada em uma "teoria de tudo", seu legado como um programa de pesquisa produtivo pode ser assegurado apenas pelo mérito matemático. 

"Não pode ser um beco sem saída no sentido do que aprendemos apenas com a própria matemática", disse Taylor. “Se você me disser amanhã que o universo absolutamente não é supersimétrico e não tem 10 dimensões [espaciais], ainda conectamos ramos inteiros da matemática” usando a estrutura da teoria das cordas. 

Em particular, quando Witten e outros pesquisadores mostraram que as cinco teorias das cordas eram sombras de uma teoria de um único pai, eles destacaram conexões chamadas dualidades, que provaram ser uma grande contribuição para a matemática e a física. 

As dualidades permitem que os matemáticos traduzam de um ramo da matemática para outro, atacando problemas insustentáveis em uma estrutura usando cálculos feitos em outra, por exemplo, em geometria e teoria dos números. Outras dualidades ajudaram a superar desafios na computação quântica, de acordo com Taylor. "Não vai fazer o seu iPhone da próxima geração", disse ela, "mas pode fazer o seu iPhone para o século 22".

Se a capacidade da teoria das cordas de iluminar a dark web conectando diferentes áreas da matemática acaba sendo um sinal de seu potencial, ou apenas uma coincidência de sorte, continua sendo assunto de debate. Witten, falando no Instituto de Estudos Avançados em 2019, reconheceu que, embora não se sinta mais tão confiante quanto antes de que a teoria das cordas evoluirá para uma teoria física completa, seu instinto lhe diz que a teoria continua sendo um campo produtivo de pesquisa. 

"Para mim, é implausível que os humanos tenham tropeçado acidentalmente em uma estrutura tão incrível, que lança tanta luz sobre teorias físicas estabelecidas e também sobre tantos ramos diferentes da matemática", disse ele à platéia. "Tenho confiança de que a iniciativa geral está no caminho certo, mas não afirmo que o argumento que apresentei seja cientificamente convincente".

♦ Todos os artigos baseados em tópicos são determinados por verificadores de fatos como corretos e relevantes no momento da publicação. Texto e imagens podem ser alterados, removidos ou adicionados como uma decisão editorial para manter as informações atualizadas.

— Este artigo foi atualizado em 19 de junho de 2022 pelo editor da Gaia Ciência.

RECURSOS ADICIONAIS

• Encontre uma história mais aprofundada e explicações da ciência atual da teoria das cordas em WhyStringTheory.com  um site criado por estudantes de pós-graduação da Universidade de Oxford e da Universidade de Cambridge para o "leigo interessado". 
• Ou, se você preferir ir direto à fonte, confira esta entrevista do CERN Courier com o criador da teoria das cordas Gabriele Veneziano. 
• Se você está procurando um vídeo explicativo, assista a esses dois vídeos intitulados "Por que a teoria das cordas está certa" e "Por que a teoria das cordas está errada", ambos da PBS Digital Studios. 

BIBLIOGRAFIA

• "Robbert Dijkgraaf and Edward Witten in Conversation - Videos | Institute for Advanced Study", 30 de maio de 2019. https://www.ias.edu/video/universe/2019/0529-DijkgraafWitten. 
• Schwarz, John H. "The Early History of String Theory and Supersymmetry", 4 de janeiro de 2012. https://arxiv.org/abs/1201.0981v1. 
• SIEGEL, Ethan. "Por que a supersimetria pode ser a maior previsão falha na história da física de partículas". Forbes, 12 de fevereiro de 2019. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2019/02/12/why-supersymmetry-may-be-the-greatest-failed-prediction-in-particle-physics-history /. 
• Strominger, A. e C. Vafa. "Origem microscópica da entropia Bekenstein-Hawking." Letras Físicas B 379, não. 1–4 (junho de 1996): 99–104. https://doi.org/10.1016/0370-2693(96)00345-0. 
• Witten, Eduardo. "Dinâmica da teoria das cordas em várias dimensões." Física Nuclear B 443, não. 1–2 (junho de 1995): 85–126. https://doi.org/10.1016/0550-3213(95)00158-O. 
• Woit, Peter. "Perguntas frequentes | Nem mesmo errado." Nem mesmo errado (blog). Acesso em 17 de janeiro de 2022. https://www.math.columbia.edu/~woit/wordpress/?page_id=4338. 
• WOLCHOVER, Natalie. "A energia escura pode ser incompatível com a teoria das cordas." Quanta Magazine, 9 de agosto de 2018. https://www.quantamagazine.org/dark-energy-may-be-incompatible-with-string-theory-20180809/. 
• Zayas, Leopoldo A. Pando. “Um relato microscópico da entropia do buraco negro”. Física 13 (18 de maio de 2020): 80.  https://doi.org/10.1103/PhysRevX.10.021037.

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Referência:

WOOD, Charlie; STEIN, Vicky. What is string theory? Space, Nova York, 20, jan. 2022. References. Disponível em: <https://www.space.com/17594-string-theory.html>. Acesso em: 19, jun. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.