Os físicos ainda estão perseguindo o sonho de Albert Einstein e Stephen Hawking de capturar o funcionamento de todo o universo em uma única equação

Os físicos estão em busca de uma teoria que unifique a física quântica com a relatividade geral. Crédito da imagem: Getty Images

A Teoria de Tudo é uma estrutura hipotética abrangente que explicaria a física de todo o universo em uma única equação. Mas unificar as teorias que definem a estrutura cosmológica em grande escala do universo com aquelas que descrevem o minúsculo mundo quântico das partículas subatômicas tem sido um desafio há mais de um século.

Descobrir uma teoria tão abrangente era o sonho de dois físicos lendários, Albert Einstein e Stephen Hawking. Mas, embora as equações que descrevem o universo nas maiores e menores escalas tenham se tornado mais precisas ao longo das décadas, elas ainda não se unem para fornecer uma imagem completa do mundo físico. A situação é tão exasperante que alguns dos maiores físicos de hoje admitem que talvez não vivam para ver tudo se encaixar. O próprio Hawking desistiu da busca por uma Teoria de Tudo antes de sua morte em 2018.

O astrofísico da Universidade de Cambridge, Christopher Reynolds, admite que o senso de “estética para o universo” de Einstein pode ser ofendido pela natureza “complexa e confusa” das tentativas atuais de descobrir as regras do cosmos. Enquanto o icônico pensador nascido na Alemanha foi capaz de encapsular o funcionamento do mundo em grande escala, onde as regras da gravidade reinam supremas, no puro E = mc² (uma forma simplificada de uma equação que mostra que a energia é igual a massa vezes a velocidade da luz ao quadrado), as coisas começaram a desmoronar quando os físicos tentaram conciliar sua teoria da relatividade geral com a física quântica, que descreve as regras que governam o mundo nas menores escalas.

GRAVIDADE VERSUS CAMPO QUÂNTICO

O Modelo Padrão da física de partículas é a base da mecânica quântica que descreve o mundo dos átomos e suas partículas constituintes, como os quarks e glúons, que compõem prótons e nêutrons em núcleos atômicos e elétrons que os orbitam. O Modelo Padrão explica três das quatro forças fundamentais que governam o mundo natural: A força eletromagnética que mantém átomos e moléculas juntos através da interação de seus componentes eletricamente carregados, a força nuclear forte que une partículas elementares chamadas quarks em prótons, nêutrons e elétrons mais complexos (e subsequentemente em átomos) e a força nuclear fraca responsável pelo decaimento radioativo. 

Essas forças são resultado de interações de partículas, disse Michael Duff, professor emérito de física teórica no Imperial College de Londres. Um fóton trocado entre dois elétrons produz a força eletromagnética, os bósons W e Z explicam as forças nucleares fortes e fracas. Mas tente explicar a gravidade interagindo com partículas e chegará a um ponto em que a matemática dá errado, disse Duff. 

"De acordo com Einstein, é a geometria do espaço e do tempo que é responsável pela força gravitacional", disse Duff. "Você pode se perguntar se a gravidade talvez não seja o resultado de uma partícula chamada gráviton. E isso funciona muito bem até certo ponto. Mas quando você tenta fazer uma teoria quântica completa dos grávitons, dá terrivelmente errado. Suas respostas, que deveria ser finita, acaba sendo infinita".

Nas grandes escalas cósmicas, onde as regras da relatividade geral de Albert Einstein coincidem com as observações, os princípios quânticos parecem não se aplicar. O mesmo acontece quando se procura os princípios da gravidade no micromundo das partículas subatômicas. 

Duff, que passou a maior parte de sua vida adulta tentando conciliar as duas estruturas teóricas, descreve sua incompatibilidade como "o desastre do século XXI".

A jornada para resolver esse "desastre" começou há cem anos, e Duff, agora com 73 anos, admite que pode não ver o dia em que as "regras do xadrez", como ele as chama, serão finalmente decifradas e a Teoria de Tudo será completa.

"Não estou esperando isso tão cedo", disse Duff. "Acho que a palavra-chave é paciência. Vai levar muito tempo, muito mais pesquisa antes de chegarmos lá, esse é o meu palpite".

Albert Einstein tentou unificar sua teoria da relatividade com a física de partículas, mas acabou falhando. Crédito da imagem: Getty Images

TEORIA DE KALUZA-KLEIN E O NASCIMENTO DE UM UNIVERSO MULTIDIMENSIONAL

Mesmo antes de Albert Einstein transformar seu famoso cérebro na Teoria de Tudo, seus contemporâneos Theodor Kaluza e Oskar Klein tentaram casar sua teoria da relatividade geral com a teoria do eletromagnetismo de James Clerk Maxwell, que no final do século 19 forneceu uma explicação abrangente para a duas forças principais conhecidas na época: O magnetismo e a força elétrica. 

Para fazer sua teoria funcionar, Kaluza e Klein tiveram que inventar um mundo muito diferente do que vemos ao nosso redor. Eles tiveram que adicionar uma quinta dimensão ao nosso espaço tridimensional acrescido de tempo. Essa quinta dimensão, no entanto, era recurvada e microscópica, um pequeno loop que não podemos ver no nível da vida cotidiana. 

Foi essa teoria que Einstein tentou desenvolver em uma teoria de campo unificado, que descreveria todas as forças fundamentais, incluindo a gravidade, e as relações entre as partículas elementares em termos de uma única estrutura teórica sem a necessidade da física quântica. Sua tentativa acabou falhando. Desde então, as coisas só ficaram mais complicadas. O eletromagnetismo foi substituído pela mecânica quântica mais complexa, que Einstein, segundo relatos, nunca aceitou totalmente, pois parecia muito "contra-intuitivo". Além disso, o número de dimensões do universo necessárias para a evolução da Teoria de Tudo (às vezes chamada de gravidade quântica) mais do que dobrou.

Michael Duff  S

TEORIA DAS CORDAS E O MULTIVERSO

O primeiro grande avanço desde a teoria da década de 1920 de Kaluza e Klein veio na década de 1980 na forma de Teoria das Cordas. Naquela época, os físicos, desesperados para se livrar dos irritantes valores infinitos produzidos pelas teóricas partículas grávitons em colisão (mencionadas por Duff), propuseram que as partículas elementares do microcosmo talvez não fossem simples pontos no espaço, mas sim minúsculos loops de cordas, que só parecem pontuais para nós.

"Pareceu por um momento que talvez esta fosse a resposta para todas as nossas orações", disse Duff. "Mas logo descobrimos que havia outros problemas".

Assim como a Teoria de Kaluza-Klein, a Teoria das Cordas não funcionava no universo quadridimensional comum. Mas também não funcionou nas cinco dimensões de Kaluza e Klein. Um universo de 10 e, finalmente, 11 dimensões emergiu nos quadros-negros dos físicos, onde não apenas uma, mas seis a sete dimensões tiveram que ser enroladas no reino invisível para que a teoria funcionasse. 

"Acontece que com a Teoria das Cordas você pode fazer algumas coisas maravilhosas", disse Reynolds. "Você pode descobrir os modos de vibração dessas cordas e então descobrir que os diferentes modos de vibração podem assumir as características de diferentes partículas. Um elétron seria uma corda com um modo de vibração, um quark seria uma corda com outro modo de vibração. Você começa a ser capaz de descrever diferentes partículas na natureza como sendo diferentes modos de vibração dessas cordas".

Até agora tudo bem. O problema é que a maneira como uma corda vibra depende de como ela está envolta. Quando os matemáticos tentaram calcular o número de possibilidades desse empacotamento, chegaram a valores surpreendentes. 

"O número que costumam citar é 10 elevado a quinhentos", disse Reynolds. "Isso é um dez com 500 zeros depois dele. Esse é o número de maneiras diferentes pelas quais você pode enrolar as cordas".

Cada uma dessas combinações de embrulhos gera um universo possível em quatro dimensões, acrescentou Duff, uma infinidade quase infinita de possibilidades, uma das quais deve representar o universo que habitamos.

“Alguns deles se parecem com o nosso universo, com o número certo de quarks e elétrons e assim por diante, mas alguns deles não se parecem em nada com o nosso universo”, disse Duff. "E o problema que enfrentamos na Teoria das Cordas é como escolhemos a certa? Existe uma certa? Porque parece haver bilhões de possibilidades diferentes".

Ao sugerir uma infinidade de receitas diferentes para o espaço-tempo a estrutura do universo, a Teoria das Cordas ajudou a originar o conceito de multiverso, uma teoria de universos alternativos ao lado do nosso que podem possuir leis físicas diferentes do universo em que vivemos.

Christopher Reynolds  S

 

SUPERSIMETRIA E SUPERGRAVIDADE

Para fazer as equações da Teoria das Cordas funcionarem, os físicos tiveram que conciliar os comportamentos de dois tipos de partículas: Bósons e férmions. Os quarks, os blocos de construção dos prótons e nêutrons, são férmions assim como os elétrons. Isso significa que os férmions são os constituintes fundamentais da matéria. Os bósons, como os fótons, os glúons e os bósons W e Z, por outro lado, carregam as forças que mantêm essa matéria unida. Ambos os tipos de partículas são caracterizados por seu spin, que é a quantidade de momento angular que uma partícula possui e determina o caminho que ela percorrerá quando exposta a um campo magnético. Os valores de spin de férmions e bósons também podem existir em quantidades discretas e o spin é conservado para todas as partículas, mas esses valores são muito diferentes para essas famílias de partículas. 

“Os bósons têm um momento angular intrínseco que é um [número inteiro] como 0,1,2,3”, explicou Duff. " Férmions têm spins em metades: Giram metade, giram três metades. Então, por muitos anos, pensamos que esses dois [tipos de partículas] eram como giz e queijo. Não conseguíamos juntá-los".

Os físicos resolveram esse problema com o conceito de supersimetria, que assume que cada partícula do Modelo Padrão tem seu "superparceiro" no outro grupo. Isso significa um superparceiro bosônico para cada férmion e um superparceiro fermiônico para cada bóson, com esses superparceiros possuindo um número de spin que difere pela metade de sua contraparte do Modelo Padrão.

Inserir supersimetria nas equações ajudou os teóricos das cordas a se estabelecerem em 11 em vez de 10 dimensões do universo. Esse desenvolvimento agradou a Duff, que, na época, fazia parte de um grupo de teóricos que desenvolvia uma teoria chamada supergravidade. A teoria da supergravidade não operava com cordas, mas com o que Duff descreve como "membranas", e essas membranas só funcionariam em 11 dimensões.

"Por um tempo, éramos um grupo dissidente olhando para 11 dimensões e vendo aonde isso nos levava", disse Duff. "Os teóricos das cordas ainda estavam olhando para 10 dimensões e por um tempo não ficou claro se estávamos na mesma página".

TEORIA M

Os buracos negros 'vazam' uma forma de radiação térmica conhecida como Radiação Hawking. Crédito da imagem: Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images

Ao longo das décadas de 1980 e 1990, abordagens concorrentes foram se desenvolvendo lado a lado. Então, em 1995, veio outro avanço quando o físico americano Edward Witten propôs sua Teoria M. A Teoria M, de acordo com Duff, forneceu um guarda-chuva para as várias variações da Teoria das Cordas que existiam naquela época. 

"No início, haviam seis abordagens diferentes", disse Duff. "E Witten nos mostrou que não eram realmente seis teorias diferentes, mas sim seis cantos diferentes de uma teoria mais profunda que ele chamou de Teoria M".

A Teoria M resolveu muitos problemas, acrescentou Duff. Ele permitiu que os físicos realizassem cálculos mais exatos e reconciliasse a Teoria das Cordas com a fórmula do buraco negro de Stephen Hawking e sua teoria de que os buracos negros 'vazam' uma forma de radiação térmica que viria a ser conhecida como "Radiação de Hawking", evaporando à medida que faça isso.

A Teoria M também introduziu o que Duff chama de princípio holográfico, que afirma que "o mundo gravitacional em um certo número de dimensões pode ser descrito por uma teoria não gravitacional que vive em seu limite, que tem uma dimensão a menos", disse Duff, admitindo que a afirmação, embora bastante "surpreendente", parece funcionar. 

Ainda assim, a Teoria de Tudo está longe de ser resolvida, disse Duff. Mais importante ainda, os físicos ainda não sabem como escolher entre bilhões de combinações possíveis de enrolamento de cordas aquela combinação que se encaixa em nosso universo.

"Se a teoria M é a teoria certa ou não, não sabemos, mas é a candidata mais promissora", disse Duff. "Mas se for, quanto tempo levará para descobrirmos todos os detalhes é uma incógnita".

AS PEÇAS QUE FALTAM NA TEORIA DE TUDO: ÁXIONS E MATÉRIA ESCURA

Nesse ínterim, os cientistas continuam procurando a informação que faltava, que poderia tapar os buracos em uma potencial Teoria de Tudo. Experimentos em aceleradores de partículas, como o Grande Colisor de Hádrons do CERN em Genebra, ou observações do universo mais distante podem um dia produzir o avanço que gerações de físicos teóricos esperavam. 

Essa descoberta, disse Reynolds, provavelmente virá da pesquisa sobre a natureza da matéria escura, a evasiva substância invisível que deve constituir cerca de 85% de toda a matéria do universo para explicar o comportamento gravitacional de galáxias e aglomerados de galáxias. 

“Não há explicação para a matéria escura no Modelo Padrão da física de partículas”, disse Reynolds. "Há algo lá fora sobre o qual apenas temos dados de fidelidade muito baixa. Se pudéssemos de alguma forma detectar essas partículas de matéria escura ou detectar alguma assinatura de energia escura [a força que impulsiona a expansão acelerada do universo], então isso começaria a realmente dizer se a Teoria de Tudo é realmente algo na linha da Teoria das Cordas ou se é algo completamente diferente".

Astrofísicos, como Reynolds, assim como físicos de partículas que trabalham com aceleradores de partículas, têm uma ideia do que procuram: Uma partícula chamada axion, que é sugerida como candidata a partículas de matéria escura e é, de fato, prevista pela Teoria das Cordas.

“Há uma enxurrada de experimentos acontecendo agora que estão tentando detectar essas assinaturas axion”, disse Reynolds. 

Os pesquisadores acham que os áxions têm uma capacidade estranha de se converter em fótons de raios-X quando viajam através de campos magnéticos poderosos. Observatórios de raios-X, como o telescópio espacial Chandra da NASA, podem, portanto, desempenhar um papel importante em descobrir se os áxions realmente existem. 

"Estamos tentando observar alguns dos maiores sistemas magnetizados do universo, como aglomerados de galáxias", disse Reynolds. "Você pode ter algo como 1.000 galáxias presas no potencial gravitacional da matéria escura cercada por gás quente magnetizado. E através desse gás podemos ver raios-X gerados por buracos negros supermassivos. Os fótons de raios-X se converterão em áxions e poderemos ver isso como distorções no espectro de luz que medimos".

Missões futuras, como a missão Athena da Agência Espacial Europeia, bem como colisores de partículas de última geração, podem finalmente encontrar a resposta.

O QUE ACONTECERÁ SE FINALMENTE DECIFRARMOS A TEORIA DE TUDO?

O que acontecerá quando todas as peças do quebra-cabeça finalmente se encaixarem e entendermos como nosso mundo funciona? Será o fim da física? Duff discorda. Depois de aprendermos as "regras do xadrez", disse ele, podemos finalmente "começar a jogar". 

Irromper a teoria de tudo certamente levará a uma enxurrada de prêmios Nobel. Mas o que vem a seguir? Teremos que esperar para ver.

♦ 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.

Para um mergulho mais profundo na busca pela Teoria de Tudo, leia os artigos de Michael Duff A busca de um dissidente pela gravidade quântica ou Errata para: Corda e Teoria-M: Respondendo aos críticos. Você também pode conferir o livro teoria das supercordas, do qual Edward Witten é co-autor. Se você ainda não tem o suficiente, pode mergulhar na Supergravidade por um dos padrinhos da teoria, Daniel Freedman. 

• Duff, M. A busca de um dissidente pela gravidade quântica, Physics World, dezembro de 2020, IOP Publishing
• https://michaelduff.weebly.com/uploads/4/4/3/0/44306005/a_mavericks_quest._physics_world_2000.pdf
• Duff, M, 2013, String and M-Theory: Answering the Critics, Foundations of Physics, novembro de 2011
• https://link.springer.com/article/10.1007/s10701-012-9696-y
• Green, MB et al, teoria das supercordas, julho de 2012, Cambridge University Press
• Freedman, D. Supergravity, abril de 2012, Cambridge University Press

—Este artigo foi atualizado em 29 de dezembro de 2022 às 21h00m pelo editor da Gaia Ciência.

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Referência:

PULTAROVA, Tereza. The Theory of Everything: Searching for the universal rules of physics. Space, Nova York, 18, dez. 2022. References. Disponível em: <https://www.space.com/theory-of-everything-definition.html>. Acesso em: 29, dez. 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.