Durante séculos, os pesquisadores tentaram descrever todas as forças fundamentais da natureza e como elas interagem em uma única teoria.

Albert Einstein no quadro-negro. Crédito da imagem: NASA

Essa teoria do campo unificado surpreendeu Albert Einstein, que trabalhou na teoria por muitos anos. 

Na física, um campo é uma área sob a influência de alguma força, como gravidade ou eletromagnetismo. Uma teoria de campo refere-se geralmente ao motivo pelo qual os fenômenos físicos acontecem e como esses fenômenos interagem com a natureza. 

As quatro forças fundamentais são:

• Interação eletromagnética: Eletromagnetismo refere-se a interações que afetam partículas eletricamente carregadas, particularmente para tipos de luz. A partícula para esta força é chamada de fóton.
• Interação forte: Esta é a força que une nêutrons (partículas de carga neutra) e prótons (partículas de carga positiva) em um núcleo dentro do átomo, que é a unidade básica de um elemento químico. A partícula para esta força é o glúon.
• Interação fraca: Essa força causa alguns tipos de radioatividade e é ativa em pequenas partículas, como elétrons, quarks e neutrinos. As partículas para esta força são os bósons W e Z.
• Interação gravitacional: A gravidade é a interação atrativa que afeta todos os pedaços do universo, sejam grandes ou pequenos. Embora desconhecida, a partícula teórica para essa força seria o gráviton.

O trabalho de Einstein

O físico escocês James Clerk Maxwell criou a primeira teoria de campo em meados do século 19, sobre o eletromagnetismo. Então, no início de 1900, Einstein postulou sua teoria da relatividade geral, que tem a ver com a teoria de campo da gravitação.

Einstein tentou desenvolver uma teoria de campo unificada na década de 1920, mas foi impedido porque apenas algumas das forças eram conhecidas na época. Embora o eletromagnetismo e a gravidade fossem bem reconhecidos, os estudos do átomo estavam ainda no início; na época, o elétron e o próton eram as únicas partículas subatômicas conhecidas, de acordo com a American Physical Society. 

Einstein (colaborando inicialmente com Jacob Grommer) baseou-se no trabalho de outros cientistas, que tentavam transformar o espaço-tempo em cinco dimensões. Especificamente, o trabalho de Einstein no espaço-tempo ocuparia quatro dimensões, e um conjunto extra de equações (representando as equações de Maxwell para o eletromagnetismo) seria a quinta. Os cientistas que trabalharam neste problema incluem Hermann Weyl, Theodor Kaluza e Oskar Klein.

O primeiro artigo de Einstein sobre a teoria foi em 1922, ecoando o trabalho publicado por Kaluza em 1921. Mais tarde em sua carreira, segundo a APS, Einstein também tentou uma teoria unificadora que generalizasse o tensor métrico (que mede a curvatura do espaço e do tempo). Einstein tentou os dois métodos nas últimas três décadas de sua vida, sem sucesso. Ele até pediu que suas notas fossem trazidas a ele um dia antes de morrer, disse a APS.

Abordagens mais recentes

Uma limitação do trabalho de Einstein no início foi sua rejeição e depois seu desconhecimento da teoria quântica (que ele reconheceu com o passar dos anos).

Existem muitas abordagens sendo consideradas, mas a mais promissora, de acordo com a APS, envolve a teoria das cordas. A teoria "descreve todas as partículas elementares como cordas vibrantes, com diferentes modos de vibração produzindo diferentes partículas". 

Na década de 1980, os físicos (liderados por John Schwarz e Michael Green) concluíram que a teoria das cordas poderia funcionar por causa de suas vibrações. Semelhante à um violino toca notas diferentes, segundo a teoria, diferentes vibrações nas cordas da natureza criariam partículas diferentes. Em meados da década de 1990, Edward Witten propôs teorias mais exatas da teoria das cordas, agora chamadas de teoria M. Seu trabalho expandiu as dimensões da teoria das cordas de seis para sete e mostrou novos ingredientes da teoria (incluindo branas ou objetos semelhantes a membranas em várias dimensões).

O trabalho neste campo é muito emergente, mas os pesquisadores estão tentando aprender mais propriedades físicas da corda estudando as partículas subatômicas produzidas em aceleradores de partículas, como o Large Hadron Collider. Entre outras direções, os experimentos do LHC pretendem buscar a supersimetria, ou uma suposta propriedade matemática em que cada espécie de partícula teria uma espécie de partícula parceira. 

Os físicos advertem que uma fraqueza da teoria das cordas é que ela ainda não foi confirmada pelos dados. Existem também outras abordagens para a teoria do campo unificado, como a gravidade quântica, que tenta descrever a gravidade nos termos da matemática quântica. 

Recursos adicionais

• American Physical Society: A busca de Einstein por uma teoria unificada
• Descubra: A Grande Busca de Einstein por uma Teoria Unificada
• Troca da grande quantidade da física: Teoria de campo unificada em termos de leigo

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Referência:

HOWELL, Elizabeth. Unified Field Theory: Tying It All Together. Live Science, 26, abr. 2017. Disponível em: <https://www.livescience.com/58861-unified-field-theory.html>. Acesso em: 13, jan. 2022.