O que é a Teoria M? Definição e princípios - Médico - 2023

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Ano 1968. Leonard Susskind, Holger Bech Nielsen e Yoichiro Nambu, três físicos teóricos, marcam, talvez sem saber, uma virada na história não só da física, mas da ciência geral. Eles estabelecem os princípios da famosa Teoria das Cordas.

A Teoria das Cordas nasceu da necessidade de unificar dois mundos, o da relatividade geral e o da mecânica quântica., que, até aquele momento, parecia totalmente independente. A mecânica quântica foi capaz de explicar a origem quântica da gravidade. E essa Teoria das Cordas foi capaz de fazer isso.

Reduzir a natureza elementar do Universo a cordas unidimensionais que vibram em um espaço-tempo de 10 dimensões não foi apenas elegante, mas também permitiu lançar as bases da tão esperada unificação das leis do Cosmos: a Teoria da Tudo.

O problema é que, quando essa teoria foi avançada, percebemos que o que acreditávamos ser uma única teoria eram, na verdade, cinco estruturas teóricas diferentes. E foi nesse contexto que nasceu, em 1995, a teoria mais surpreendente da história e, com certeza, a mais complicada de entender. Teoria M. Prepare-se para sua cabeça explodir, porque hoje Vamos explicar os fundamentos da hipótese que pretende unificar as cinco teorias das cordas em uma única.

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Por que nasceu a Teoria das Cordas?

Antes de entrar na fascinante Teoria-M, precisamos contextualizar um pouco. E, para isso, devemos primeiro entender o que é a Teoria das Cordas e por que sua formulação foi necessária no final dos anos 1960.

Como bem sabemos, As forças fundamentais do Universo são quatro: eletromagnetismo, a força nuclear fraca, a força nuclear forte e a gravidade. A relatividade geral de Einstein nos permite predizer perfeitamente a natureza dessas forças nos níveis macroscópico e até atômico.Todas as forças do Universo, desde que não passemos ao nível subatômico, são explicadas pelas previsões da relatividade especial.

Mas o que acontece quando viajamos para o nível subatômico? Basicamente, tudo desmorona. Ao entrar no mundo quântico, passamos para um novo mundo que não segue as leis físicas que conhecemos. Um mundo que joga de acordo com suas próprias regras. E compreender essas regras tem sido e é uma das maiores ambições da Física.

Nesse contexto, a física quântica teorizou a existência de partículas subatômicas elementares que, em princípio, explicam a natureza quântica das forças fundamentais do Universo. E dizemos "em princípio" porque o modelo padrão de partículas subatômicas explica quase todos eles. Mas há um que falha: a gravidade.

Encontramos as partículas subatômicas responsáveis pelo eletromagnetismo, a força nuclear fraca e a força nuclear forte, mas não há nenhum traço da partícula responsável pela gravidade. Em outras palavras, não podemos explicar a natureza quântica da gravidade. E se uma das quatro forças fundamentais não pode ser explicada por meio do modelo de partículas subatômicas, é porque certamente estávamos errados. Você teve que começar do zero.

Y esto es precisamente lo que hicieron Leonard Susskind, Holger Bech Nielsen y Yoichiro Nambu, los tres físicos teóricos que, entre 1958 y 1969, establecieron los fundamentos de la Teoría de Cuerdas, una de las hipótesis que nos hace estar más cerca de la Teoría do todo. Assim que seus problemas forem resolvidos e pudermos explicar a natureza quântica da gravidade por meio dessas cordas, teremos unificado o mundo da relatividade geral com o da mecânica quântica. Por isso, nasceu a Teoria das Cordas. Para entender a natureza elementar da gravidade.

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Antes da Teoria das Cordas, não podíamos explicar a natureza quântica da atração gravitacional.

A primeira revolução das cordas: as 5 teorias

No final dos anos 60 e com a formulação da Teoria das Cordas, iniciou-se uma verdadeira revolução no mundo da física.. Tanto que recebeu um nome próprio: Primeira Revolução das Cordas. O nome não foi trabalhado muito duro, não. Mas o que exatamente essa teoria nos diz?

Temos um artigo no qual explicamos em profundidade os princípios da Teoria das Cordas. Nós o encorajamos a ler se você quiser saber mais detalhes porque no artigo de hoje nós queremos nos aprofundar na Teoria-M, então iremos apenas explicar as coisas mais fundamentais.

A Teoria das Cordas é uma hipótese que defende a ideia de que a natureza mais elementar do Universo não seriam as partículas subatômicas do modelo padrão, mas que haveria um nível de organização inferior ao subatômico: as cordas.

Mas o que são essas cordas? A teoria postula que as cordas seriam fios unidimensionais que vibram no espaço-tempo e que dependendo de sua maneira de vibrar, dão origem a partículas subatômicas. Ou seja, a origem fundamental das forças do Universo se encontra no modo vibratório desses fios unidimensionais.

Os cálculos matemáticos da teoria permitem a existência tanto de cordas abertas (cordas estendidas) quanto de cordas fechadas (anéis). As cordas abertas nos permitem explicar a natureza quântica do eletromagnetismo, a força nuclear fraca e a força nuclear forte. Mas, e aí vem o incrível, as cordas fechadas nos permitem encaixar, pela primeira vez, a gravidade no mundo quântico. A atração gravitacional seria devido a anéis de cordas emitidos pelos corpos com massa e que os enlaçam no espaço.

Bem, tudo fantástico, certo? Bem simples. "Simples". Sim, mas há uma coisa a ter em mente. E é para que os cálculos matemáticos da teoria funcionem, devemos assumir que existem 10 dimensões no Universo. Os quatro que conhecemos (três espaciais e um temporal) e seis outros extras que não podemos perceber, mas pelos quais as cordas, em teoria, poderiam se mover. Sua cabeça explode? Pois bem, não reclame porque quando a teoria foi formulada era necessário pressupor a existência de 26 dimensões. Eles reduziram para 10. Temos sorte.

Mas, uma vez que aceitamos a existência de dez dimensões, tudo funciona? Eu desejo. Mas não. Existe um pequeno problema. E é que mentimos para você. A Teoria das Cordas não é uma teoria. Na verdade, existem cinco teorias.

Ou seja, dentro do mundo das supercordas (batizadas com o nome da redução das 26 dimensões para 10), existem cinco referenciais teóricos. Cinco modelos totalmente (bem, não totalmente, mas bastante diferentes) que explicam como as cordas funcionam.

Neste sentido, A Teoria das Cordas é composta por cinco teorias: TIPO I, TIPO IIA, TIPO IIB, Heterótica SO (32) e Heterótica E8E8. Não se preocupe com o nome, pois sua explicação é meramente histórica. E se você quiser entender as diferenças entre eles, não se preocupe. A menos que sejamos físicos teóricos, não entenderemos nada. Lembre-se de que, em cada uma delas, as cordas se comportam de maneira diferente e interagem de maneira única entre si.

Portanto, tínhamos cinco lados da mesma moeda. Mas isso significava que havia apenas um correto e quatro deveriam ser descartados? Não, pobre. Cada um dos cinco era perfeitamente válido dentro de seu modelo. Portanto, os esforços para encontrar a "boa" Teoria das Cordas foram inúteis. E, nesse contexto, quando Edward Witten, um físico matemático americano, deu uma palestra em 1995 falando sobre uma nova teoria que unifica essas cinco teorias das cordas, o mundo da ciência mudou para sempre. A Teoria M nasceu.

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A Segunda Revolução das Cordas: Teoria M

Depois que as bases da (s) Teoria (s) das Cordas foram lançadas em 1968, Em 1995, Edward Witten, marcou a segunda revolução ao criar a Teoria M. Ele estava realizando algo incrível e impensável na época: unificar as cinco teorias das cordas aparentemente não relacionadas em uma.

E antes de começarmos a descrever os fundamentos da Teoria-M, vamos ser claros: a Teoria das Cordas é algo no currículo da pré-escola em comparação. Sim. Como você ouve. Comparada com a Teoria M, a Teoria das Cordas é a coisa mais simples do mundo. E se uma teoria que nos força a pensar em cordas unidimensionais vibrando em um espaço-tempo de dez dimensões é uma brincadeira de criança, imagine como a Teoria M é complicada.

De acordo com Witten, o nome "M" está sujeito a interpretação pessoal. Há quem acredite que o “M” vem do mistério, da mãe ou da magia. Pessoalmente, acho que vem de Mordor. Mas considerações pessoais à parte, por que essa teoria nasceu?

Os físicos queriam uma teoria das cordas inevitável. O que significa isto? Eles queriam uma teoria das cordas da qual emergisse, sem buscá-la, a explicação para todas as outras leis do Universo. Ou seja, queríamos ser capazes de, de dentro da matemática da teoria, prever eventos que conhecemos. Quando não podemos impedir que uma teoria seja cumprida (portanto, é inevitável), estamos no caminho certo.

E com a Teoria das Cordas (Teorias das Cordas) estávamos realmente no caminho certo, mas nos anos 90 simplesmente paramos. Chegamos a um cenário em que havia cinco irmãos que não se davam bem. Cinco Teorias das Cordas que eles sempre discutiram e, como estavam certas de sua perspectiva, era impossível encontrar a tão esperada Teoria de Tudo. Queríamos uma teoria unificadora. Se houvesse cinco teorias unificadoras, não estaríamos unificando nada.

E embora as teorias heteróticas fossem as mais queridas, as outras três também trabalharam dentro de seu arcabouço teórico. Ou seja, embora dois deles fossem os mais promissores, não podíamos rejeitar os outros.

Em vez de apenas uma, tivemos que fazer as cinco irmãs pararem de discutir. Tivemos que unificá-los todos em uma única teoria, algo que parecia impossível até o surgimento da Teoria M.. E agora prepare-se para sua cabeça explodir.

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Branas, supercordas e multiverso: o que nos diz a Teoria-M?

Antes de começarmos e como desculpa antecipada, gostaríamos de citar Richard Feynman, um dos fundadores da física quântica. "Se você pensa que entende a mecânica quântica, você não entende a mecânica quântica." Tendo deixado isso claro, podemos começar. Haverá coisas que você não entenderá. Ninguém os entende. Nada acontece.

A Teoria M é uma hipótese que unifica as cinco teorias das cordas em um único referencial teórico, postulando a existência de 11 dimensões. no Universo dentro do qual hipersuperfícies entre 0 e 9 dimensões conhecidas como branas servem como um ponto de ancoragem para cordas unidimensionais abertas ou fechadas.

Algo foi entendido? Não mintas. É impossível. Mas vamos passo a passo. Quando estudamos a Teoria das Cordas TIPO IIA, a ideia de que uma nova dimensão pode surgir no espaço-tempo emerge de modelos matemáticos. Ou seja, em vez de dez dimensões, é matematicamente (de acordo com o modelo) e fisicamente possível que no Universo existam 11 dimensões.

"E o que mais importa?" Já. Pode parecer que, uma vez que temos 10 dimensões, nada acontece com 11. Erro. Sim, e aí. Isso muda absolutamente tudo. Quando as cordas estão em um regime de complemento forte (elas interagem fortemente umas com as outras), a décima primeira dimensão emerge no espaço-tempo.

Mas por que tudo muda? Porque na décima primeira dimensão, as cordas não são mais cordas. O que são cordas na dimensão número 10, tornam-se membranas na dimensão número 11. Para entender ("pegue"), ao adicionarmos mais uma dimensão, as cordas do tipo IIA deixam de ser fios unidimensionais e passam a ser membranas bidimensionais (nós adicionamos uma) que vivem enroladas nessas dimensões.

Portanto, a Teoria-M não é uma teoria das cordas. É uma teoria das membranas. Bem, não, na verdade existem cordas também. Mas pouco a pouco. Essas membranas que emergem "por mágica" da própria teoria quando adicionamos uma dimensão são chamadas de branas.

E as membranas bidimensionais (bidimensionais) que emergem da teoria das cordas IIA são conhecidas como branas M-2. E essas membranas bidimensionais, o que significa que têm comprimento e largura, mas são infinitamente finas (porque não há terceira dimensão de altura), podem perfeitamente existir neste quadro teórico 11-dimensional hipotético.

Mas existem apenas branas bidimensionais? Cara, as duas dimensões estão bem porque podemos imaginá-las (até um pouquinho), mas não. A Teoria M permite a existência de branas em qualquer uma das 9 dimensões espaciais (Então haveria um extra que é temporário, mas não conta). E essas branas são conhecidas como hipersuperfícies.

Vamos recapitular. A Teoria M nos diz que não haveria apenas cordas unidimensionais, mas também membranas (ou hipersuperfícies) que podem ter todas as dimensões possíveis de 0 a 9. Ou seja, da dimensão espacial 0 (um ponto) ao espaço dimensional 9 (nove dimensões roladas entre eles).

Estamos falando, então, das D-branas (e o D pode ser um número de 0 a 9), que seriam hipersuperfícies no espaço-tempo. Mas o que isso tem a ver com cordas? Tudo bem. E é que essas membranas seriam o local onde as cordas unidimensionais seriam ancoradas.

Ou seja, a Teoria M nos diz que essas branas que surgem naturalmente ao adicionar uma dimensão ao modelo seriam superfícies de ancoragem para as cordas. As pontas das cordas abertas (cordas estendidas) viajariam à velocidade da luz, sim, mas sempre ancoradas fixamente nessas membranas. As duas extremidades podem estar na mesma brana ou uma extremidade em uma brana e a outra extremidade na brana paralela.

Mas o que é realmente importante não é apenas que essa ancoragem das cordas nas branas torna possível entender a natureza das partículas subatômicas elementares, mas também explica a origem quântica da gravidade.

E pode acontecer que as pontas de uma corda aberta se juntem e que a corda fechada resultante, incapaz de permanecer ancorado na hipersuperfície, abandone a brana. E isso reforça a ideia de que a atração gravitacional se deve à "viagem" de anéis de cordas.

Se tomarmos como ponto de partida uma D3-brana (de três dimensões espaciais, como o Universo que podemos perceber), "veríamos" os anéis de cordas como entidades que saem de nosso Universo. Teríamos o que na física quântica é conhecido como gráviton, que é a partícula subatômica hipotética que explicaria a natureza quântica da gravidade.

Esta saída de cordas fechadas das branas explicaria porque a gravidade é uma força tão fraca. E é que marchando da brana faria com que sua interação se diluísse nas dimensões transversais. Ou seja, além da brana tridimensional onde estava. Em outras palavras, a gravidade seria o resultado da energia residual deixada pelas cordas ao saírem da brana. E como está diluída no espaço-tempo, a atração gravitacional é a mais fraca de todas. Os outros três (eletromagnetismo e os dois nucleares) seriam devido a cordas ancoradas, portanto seriam mais fortes.

Mas como você unifica as cinco teorias das cordas? Pois bem, porque em cada um deles, ao adicionar uma dimensão, é matematicamente possível a existência de branas de dimensões específicas. Juntando todos eles, podemos ter branas que vão da dimensão 0 a 9. Ou seja, unificando os cinco referenciais teóricos, temos as 9 hipersuperfícies de que precisamos para os fundamentos da Teoria M.

Sua cabeça já explodiu? Bom. Porque agora vamos falar sobre uma última coisa. E é que, uma vez que seus problemas matemáticos tenham sido resolvidos, essa teoria tornaria empiricamente possível a existência do chamado multiverso. Sim, pode haver mais Universos além do nosso.

A existência dessas hipersuperfícies ou branas faria com que 10 fosse elevado a 500 (sim, um 10 seguido de 500 zeros) combinações diferentes das ditas branas (digamos que haja todas essas maneiras possíveis de as 9 dimensões serem enroladas). E cada um deles poderia dar origem a um Universo no qual as cordas são ancoradas em membranas únicas. Portanto, em cada combinação, as cordas vibrariam de uma determinada maneira, portanto as leis do Cosmos em questão também seriam únicas.

Portanto, neste “hiperespaço” de branas poderia haver tantos Universos quantas combinações possíveis de hipersuperfícies, o que obviamente abriria a porta para Universos paralelos que, apesar de estarem lá, entre as cordas, nunca poderíamos perceber.

Em suma, a Teoria M é uma das teorias mais ambiciosas da humanidade e que, por meio dessa unificação das cinco teorias das cordas, É o mais perto que podemos chegar de encontrar uma Teoria de Tudo. O mais perto que estamos de compreender a natureza fundamental de tudo está na Teoria M, uma hipótese absolutamente fascinante que nos mostra até onde os seres humanos podem ir para compreender o que os rodeia.

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