O que é a teoria das cordas? Definição e princípios - Médico - 2023

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Todos nós já ouvimos falar disso. A Teoria das Cordas é certamente uma das hipóteses científicas mais em voga no mundo. E não mais porque é o que Sheldon Cooper estuda na série The Big Bang Theory, mas porque é, em geral, a teoria mais ambiciosa da história humana.

Ao longo da história da Física, sempre fomos capazes de explicar as coisas em níveis cada vez mais profundos. E assim por diante até chegar ao nível que parecia menor: o atômico. Porém, vimos que ainda havia um nível menor: o subatômico.

O problema é que as leis da Física que explicavam o que acontecia ao nosso redor não se cumpriram quando chegamos ao mundo quântico. Mas como é possível que no Universo não haja conexão entre a relatividade geral e as partículas subatômicas?

Desde meados do século passado, essa questão intrigou os físicos, até que, na década de 1960, se formou uma teoria que, por fim, parecia unificar todas as leis em uma. Estamos falando da Teoria das Cordas, a hipótese que ganha força para explicar absolutamente tudo. Se você quiser aprender sobre cordas, as 11 dimensões do Universo, a natureza quântica da gravidade e o multiverso, fique. Neste artigo, tentaremos explicar da maneira mais simples possível uma das teorias físicas mais complicadas da história.

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Teoria Quântica e o problema da gravidade

Antes de nos aprofundarmos na própria Teoria das Cordas, é essencial nos colocarmos em um contexto para entender por que ela teve que ser formulada. Como já comentamos, os físicos sempre quiseram encontrar a origem de tudo. Ou seja, eles estão procurando uma teoria que explique tudo, desde porque os corpos têm massa até porque a eletricidade existe.

Já sabemos há muito tempo que existem quatro forças básicas no Universo. Tudo, absolutamente tudo, o que acontece no Universo, é devido às interações da matéria com essas forças, que são massa, força nuclear, eletromagnetismo e gravidade.

Uma vez que isso ficou claro, os físicos queriam descobrir de onde vinham essas forças. E para fazer isso, era evidente que eles tinham que passar para o nível mais básico da matéria, isto é, para aquele que era indivisível.

O átomo? Não. Há muito sabemos que o átomo não é a unidade mais básica do Universo. Tem coisas abaixo, ou seja, menores. O problema é que, ao cruzar a fronteira do átomo, nos movemos para um novo "mundo" que não somos capazes de perceber.

Um átomo é tão pequeno que 10 milhões deles cabem em um único milímetro. Bem, imagine agora que você transforma este átomo em um campo de futebol. O próximo nível (o subatômico) é feito de partículas (ou assim parecia) que seriam, em comparação com o estágio, do tamanho de uma cabeça de alfinete.

Para entender e explicar como funcionava o mundo subatômico, foi fundada a Física Quântica, que, entre muitas outras coisas, propunha a existência de diferentes partículas subatômicas que, indo livremente ou juntando-se para formar átomos, pareciam explicar quase tudo.

Mas esse "quase" se tornaria o pesadelo dos físicos. Graças aos aceleradores de partículas, descobrimos partículas (repetimos, coisas que se parecem com partículas, uma vez que são impossíveis de ver) que eles explicaram praticamente todas as leis do Universo.

Estamos falando, além dos elétrons, fótons, quarks, neutrinos, etc., dos bósons, das partículas subatômicas que transmitem as forças de interação entre as outras partículas. Ou seja, em linhas gerais, são uma espécie de “transportadores” de força que mantêm os prótons e os nêutrons unidos, que possibilitam a transmissão da força eletromagnética e que explicam as emissões radioativas.

O mundo subatômico e, portanto, a Teoria das Partículas, conseguiram explicar a origem mais fundamental da massa, a força nuclear e o eletromagnetismo. Havíamos encontrado as partículas que explicavam quase tudo. Mas em física, um "quase" não vale a pena.

A gravidade estava falhando. A Teoria das Partículas não explica a origem da gravidade. O que a gravidade transmite entre galáxias com milhares de anos-luz de distância? O que havia entre eles? Por que os corpos com massa se atraem? O que gera a atração? Justamente quando tínhamos quase unificado todo o Universo em uma teoria, a gravidade estava nos mostrando que estávamos errados. O mundo subatômico não poderia (e não pode) explicá-lo.

Era necessária uma teoria que encaixasse a gravidade na mecânica quântica. Assim que conseguirmos isso, estaremos muito mais próximos da tão esperada "Teoria de Tudo". E nesse contexto surgiu, quase por acaso, a Teoria das Cordas.

O que é a teoria das cordas?

A Teoria das Cordas é uma hipótese (não se confirma de forma alguma) que busca unificar todas as leis do Universo, partindo do pressuposto de que os níveis mais básicos de organização da matéria são, na realidade, cordas vibrando.

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É normal que nada tenha sido compreendido. Vamos passo a passo. A primeira coisa a entender é que essa teoria decorre da necessidade de incluir a gravidade na física quântica. Ao não se ajustar, como vimos, à natureza das partículas subatômicas, em 1968 e 1969, diversos físicos levantaram a ideia de que a matéria não consistia (em seu nível mais baixo) em partículas subatômicas, mas em cordas vibrantes. tecido do tempo.

Dependendo de como essas cordas vibram, elas dão origem às diferentes partículas subatômicas que conhecemos. Ou seja, a ideia de que as partículas são esferas que viajam por três dimensões é descartada (falaremos sobre dimensões mais tarde) e a hipótese de que o que dá origem às forças são cordas unidimensionais que vibram.

As cordas seriam fios unidimensionais que formariam o nível mais baixo de organização da matéria.

Mas o que significa ser uma corda unidimensional? Boa pergunta. E, como acontece com muitas teorias, você tem que fazer um ato de fé. E aí vem o complicado. Porque a partir de agora, é necessário que esqueçamos nossas três dimensões. As cordas são fios que têm profundidade (uma dimensão), mas não têm altura nem largura.

Mais uma vez, insistimos que neste “mundo” as coisas não acontecem como no nosso dia a dia. Entramos em um mundo tão incrivelmente pequeno que devemos confiar tudo à matemática, porque nossas ferramentas não podem atingir esse nível.

As cordas hipotéticas seriam cordas milhões de milhões de vezes menores que um elétron. Na verdade, acredita-se que seriam apenas 100 vezes maiores do que o que é conhecido como densidade de Planck, o que pode soar mais familiar para você porque é uma singularidade no espaço-tempo, que é o que está no centro dos buracos negros. . Em outras palavras, é a menor coisa que pode existir no Universo. Tudo seria feito de cordas, mas as cordas não seriam feitas de nada.

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Mas o que ganhamos pensando na matéria como fios ou fios? Bem, finalmente, entenda a natureza da gravidade. E, embora possa não parecer, pare de pensar nas partículas subatômicas como pontos da matéria e comece a pensar em fios com extensão, muda absolutamente tudo.

Na verdade, trabalhar com partículas esféricas levou os físicos a resultados matematicamente absurdos. Nesse sentido, passamos de um grande conglomerado com centenas de partículas subatômicas (poucas delas com existência confirmada) independentes para explicar as leis do Universo a um único elemento: uma corda que, dependendo de como vibra, se comportará como uma só. partícula ou outra.

Ou seja, a única coisa que diferenciaria um elétron de um próton (e de todas as outras partículas como bósons, neutrinos, quarks, tau, ômega, fótons ...) seria como essas cordas vibram. Em outras palavras, as forças do Universo dependem exclusivamente de como as cordas estão vibrando.

Cordas e gravidade: como eles interagem?

Agora, você pode estar se perguntando o que exatamente se ganha com essa teoria, porque por enquanto, parece que ela não lança nada de novo. Mas não. Agora vem o importante. E é que matematicamente, essa teoria permite que as cordas, além de poderem ser estendidas (o que explica a massa, as forças nucleares e eletromagnéticas), possam ser fechadas.

Quero dizer, estes cordas podem formar um anel. E isso muda absolutamente tudo. E é que a teoria propõe que corpos com matéria (com cordas abertas) podem dobrar essas cordas (fechá-las) e expulsar para o espaço os chamados grávitons, que seriam anéis de cordas vibrantes.

Como estamos deduzindo, esse fenômeno finalmente explicaria como a gravidade é transmitida. E é que esta teoria, além de explicar que a massa, a força nuclear e o eletromagnetismo são devidos aos diferentes modos de vibração das cordas, afirma que a gravidade existe porque corpos com massa liberam cordas fechadas para o espaço, que interagem entre si. e, de alguma forma, unir os corpos celestes do Universo por "cordas invisíveis".

Uma corda fechada permitiria a existência do gráviton, partícula hipotética que transmitiria a gravidade, unificando todas as forças.

Até agora, tudo parece fantástico. Temos uma teoria que concorda com a relatividade geral e a mecânica quântica de Einstein e que explica melhor a natureza fundamental da gravidade. Eu queria que tudo fosse tão simples. Não é. E é que para que as previsões da Teoria das Cordas não entrem em colapso, é necessário assumir que no Universo existem 10 dimensões. Quase nada.

Por que 10 dimensões?

Justamente quando parecemos entender a Teoria das Cordas, físicos vêm e nos dizem que o Universo tem 10 dimensões. Nós vamos acreditar. Agora, vamos ver de onde eles vêm. De imediato, 4 deles podemos entender perfeitamente porque são aqueles com quem vivemos.

Nós, como seres humanos limitados pelos nossos sentidos, somos capazes de perceber (e nos mover) através de quatro dimensões: três materiais e uma temporal. Ou seja, para nós, a realidade tem largura, altura e profundidade. E, é claro, não avançamos apenas pela matéria, mas avançamos no tempo. Portanto, nossas quatro dimensões são largura, altura, profundidade e tempo.

Até agora, tudo bem, certo? O problema é que para a Teoria das Cordas funcionar, temos que assumir a existência de mais 6 dimensões. Onde estão? Boa pergunta novamente. Não vamos entrar nesse assunto porque, basicamente, a menos que nos formemos em Física Quântica, não entenderíamos nada.

Basta ficar com a ideia de que, entre as nossas quatro dimensões, outras se misturariam. Nada foi entendido, ok. Isso significa que as várias dimensões são enroladas umas sobre as outras. Nenhum, ok.

Imagine uma pessoa andando na corda bamba. Para essa pessoa, quantas dimensões existem na corda? Uma verdade? Nesse espaço (a corda) só pode se mover para frente ou para trás. Portanto, para aquele observador, a corda é apenas uma dimensão.

Agora, o que acontece se colocarmos uma formiga na mesma corda? Ele será capaz de rolar apenas para frente ou para trás? Não. Ela será capaz de percorrer toda a extensão da corda, circulando em torno dela. Para a formiga (o novo espectador), a corda tem três dimensões, pois pode se mover por todas elas.

Essa é um pouco da ideia da Teoria das Cordas. Estamos muito limitados pela percepção da realidade, portanto, é possível que existam outras dimensões pelas quais nossos corpos possam se mover, mas essas cordas sim. Nunca podemos confirmar ou negar a existência dessas 6 dimensões extras, então essa teoria continuará sendo isso: uma teoria.

Agora, se pressupomos a existência de 10 dimensões, então tudo está claro, certo? Conseguimos a Teoria de Tudo. Más notícias de novo: não. Mesmo com a existência dessas 10 dimensões, os físicos perceberam que as diferentes teorias da Teoria das Cordas (sim, existem várias teorias diferentes, mas isso seria o suficiente para um livro) não se encaixavam exatamente entre elas. Então o que eles fizeram? O de costume: crie uma dimensão extra. Com 11 dimensões, unifique todas as teorias das cordas em uma: a famosa Teoria-M.

Teoria-M e o multiverso

Com "M" para Mystery (não, mas funciona muito bem), M-Theory está um passo além da Teoria das Cordas. E embora pareça sem importância adicionar mais uma dimensão (o que importa 10 do que 11 dimensões), a verdade é que isso torna, em comparação, a Teoria das Cordas a coisa mais simples do mundo.

Essa teoria, que nasceu na década de 1990, está longe de ser completa. Tem sua origem em um unificação das 5 teorias das cordas, defendendo que as cordas vibram em um tecido espaço-temporal com 11 dimensões.

Embora ainda não tenha sido oficialmente aceita, é a hipótese científica que mais se aproxima de uma Teoria de Tudo, pois unifica não apenas todas as leis universais, mas as diferentes teorias das cordas.

Uma vez que seus problemas matemáticos tenham sido resolvidos, a Teoria-M tornaria a existência do chamado multiverso empiricamente possível. E é que, sem querer (ou poder) ir muito fundo, dependendo de como as 11 dimensões se enredam, a natureza do Universo será uma ou outra.

A teoria defende que existem 10 elevado a 500 potências (um 10 seguido por 500 zeros, simplesmente inimaginável) de combinações diferentes. E cada um poderia dar origem a um Universo no qual as cordas vibrassem de forma única, portanto suas leis também seriam únicas.

Existem inúmeras maneiras de enrolar as dimensões e cada uma delas daria origem a um Universo único.

Conclusões

A Teoria das Cordas é a tentativa mais ambiciosa na história da ciência para tentar explicar a natureza mais primitiva do Universo. Imaginar nossos arredores como cordas vibrantes permite aos físicos unificar todas as leis em uma. E apesar de ter que assumir a existência de dimensões extras e que ainda não foi confirmada (certamente nunca será), é o mais próximo que estamos de encontrar uma Teoria de Tudo.