Teoria das cordas

Antecedentes

As introduções à teoria das cordas que são projetadas para o público em geral devem primeiro explicar a física. Algumas das controvérsias sobre a teoria das cordas resultam de mal-entendidos sobre a física. Um equívoco comum, mesmo para os cientistas, é a presunção de que uma teoria é comprovadamente verdadeira em sua explicação do mundo natural onde quer que suas previsões sejam bem sucedidas. Outro mal-entendido é que cientistas físicos anteriores, incluindo químicos, já explicaram o mundo. Isto leva ao mal-entendido de que os teóricos das cordas começaram a fazer hipóteses estranhas depois de se tornarem irresponsavelmente "livres da verdade".

Domínio clássico

Física newtoniana

A lei da gravitação universal (UG) de Newton, acrescentada às três leis do movimento Galileu e algumas outras presunções, foi publicada em 1687. A teoria de Newton modelou com sucesso as interações entre objetos de um tamanho que podemos ver, uma gama de fenômenos agora chamados de reino clássico. A atração elétrica modelada pela lei Coulomb. A teoria do campo eletromagnético de Maxwell unificou a eletricidade e o magnetismo, enquanto a óptica emergiu deste campo.

Avelocidadeda luz permaneceu praticamente a mesma quando medida por um observador viajando em seu campo, embora a adição de velocidades tenha previsto que o campo fosse mais lento ou mais rápido em relação ao observador viajando com ou contra ele. Assim, em comparação com o campo eletromagnético, o observador continuava perdendo velocidade. Ainda assim, isto não violou o Princípio da Relatividade de Galileu que diz que as leis da mecânica funcionam da mesma maneira para todos os objetos que mostram inércia.

Por lei de inércia, quando nenhuma força é aplicada a um objeto, o objeto mantém sua velocidade, que é a velocidade e a direção. Um objeto em movimento uniforme, que é velocidade constante em uma direção imutável, ou permanecendo em repouso, que é velocidade zero, experimenta inércia. Isto exibe invariância galiléia - suas interações mecânicas procedendo sem variação - também chamada relatividade galiléia, já que não se pode perceber se se está em repouso ou em movimento uniforme.

Teoria da Relatividade

Relatividade especial

Em 1905, a teoria especial da relatividade de Einstein explicou a precisão tanto do campo eletromagnético de Maxwell quanto da relatividade galiléia, afirmando que a velocidade do campo é absoluta - uma constante universal - onde tanto o espaço quanto o tempo são fenômenos locais em relação à energia do objeto. Assim, um objeto em movimento relativo encurta ao longo da direção de seu impulso (contração de Lorentz), e seu desdobramento de eventos abranda (dilatação do tempo). Um passageiro sobre o objeto não pode detectar a mudança, pois todos os dispositivos de medição a bordo do veículo experimentaram contração de comprimento e dilatação do tempo. Somente um observador externo que experimenta repouso relativo mede o objeto em movimento relativo para ser encurtado ao longo de sua trajetória de viagem e seus eventos diminuíram a velocidade. A relatividade especial deixou a teoria de Newton - que afirma que o espaço e o tempo são absolutamente impossíveis de explicar a gravitação.

Pelo princípio da equivalência, Einstein inferiu que estar sob gravitação ou aceleração constante são experiências indistinguíveis que podem compartilhar um mecanismo físico. O mecanismo sugerido foi a contração progressiva da duração e dilatação do tempo - conseqüência da densidade de energia local dentro do espaço 3D - estabelecendo uma tensão progressiva dentro de um objeto rígido, aliviando sua tensão ao mover-se em direção ao local de maior densidade de energia. A relatividade especial seria um caso limitado de um campo gravitacional. A relatividade especial se aplicaria quando a densidade de energia através do espaço 3D é uniforme, e assim o campo gravitacional é escalado uniformemente de local para local, razão pela qual um objeto não experimenta nenhuma aceleração e, portanto, nenhuma gravitação.

Relatividade geral

Em 1915, a teoria geral da relatividade de Einstein explicou recentemente a gravitação com o espaço-tempo 4D modelado como um coletor Lorentziano. O tempo é uma dimensão mesclada com as três dimensões espaciais, pois cada evento no espaço 3D-2D horizontalmente e 1D verticalmente - um ponto ao longo de um eixo temporal 1D. Mesmo na vida cotidiana, um declara ou implica ambos. Diz-se ou pelo menos significa: "Encontre-me no edifício 123 da Rua Principal que cruza a Rua Franklin em apartamento 3D em 10 de outubro de 2012 às 21h00". Omitindo ou faltando a coordenada de tempo, chega-se ao local correto no espaço quando o evento procurado está ausente - é no passado ou no futuro, talvez às 18h00 ou às 12h00.

Ao convergir espaço e tempo e presumir tanto em relação à densidade de energia nas proximidades, como ao estabelecer a única constante ou absoluta como nem mesmo massa, mas como velocidade da luz em um vácuo, a relatividade geral revelou o equilíbrio e a simetria do mundo natural anteriormente inimaginável. Cada objeto está sempre se movendo à velocidade da luz ao longo de uma linha reta - seu equivalente, em uma superfície curva, chamada geodésica ou linha do mundo - o único caminho de menor resistência como uma queda livre através do espaço-tempo 4D cuja geometria "curva" na vizinhança da massa/energia.

Um objeto à velocidade da luz em um vácuo está se movendo a uma velocidade máxima através do espaço 3D, mas não exibe nenhuma evolução de eventos - ele é congelado no tempo onde um objeto sem movimento no espaço 3D flui totalmente ao longo do tempo 1D, experimentando a taxa máxima de desdobramento dos eventos. O universo exibido é relativo a um determinado local, mas uma vez que a massa/energia nessa vizinhança é declarada, as equações de Einstein prevêem o que está ocorrendo - ou ocorreu ou ocorrerá - em qualquer lugar do universo. A noção popularizada de que relativo na teoria de Einstein sugere subjetivo ou arbitrário foi para algum arrependimento de Einstein, que mais tarde pensou que deveria chamá-la de teoria geral.

Cosmologia

As partículas mensageiras do campo eletromagnético, fótons, carregam uma imagem atemporal através do universo enquanto os observadores dentro deste campo têm fluxo suficiente através do tempo para decodificar esta imagem e reagir movendo-se dentro do espaço 3D, mas nunca podem ultrapassar esta imagem atemporal. O estado do universo abaixo de 400.000 anos após o presumível big bang que iniciou nosso universo é considerado como o fundo cósmico de microondas (CMB).

Em 1915, pensava-se que o universo era inteiramente o que agora chamamos de galáxia Via Láctea e que era estático. Einstein operou suas equações recentemente publicadas do campo gravitacional, e descobriu a conseqüência de que o Universo estava se expandindo ou encolhendo. (A teoria é operável em qualquer direção - invariância de tempo). Ele revisou a teoria adicionando uma constante cosmológica para equilibrar arbitrariamente o Universo. Perto de 1930, os dados telescópicos de Edwin Hubble, interpretados através da relatividade geral, revelaram que o Universo estava se expandindo.

Em 1916, quando em um campo de batalha da Primeira Guerra Mundial, Karl Schwarzschild operou as equações de Einstein, e a solução de Schwarzschild previu buracos negros. Décadas mais tarde, astrofísicos identificaram um buraco negro supermassivo no centro de talvez todas as galáxias. Os buracos negros parecem liderar a formação e manutenção da galáxia, regulando a formação e destruição das estrelas.

Nos anos 30, notou-se que, de acordo com a relatividade geral, as galáxias se desmoronariam a menos que fossem cercadas por matéria invisível mantendo uma galáxia unida, e nos anos 70 a matéria escura começou a ser aceita. Em 1998, inferiu-se que a expansão do Universo, e não a desaceleração, está acelerando, indicando uma vasta densidade energética - suficiente para acelerar tanto a matéria visível quanto a matéria escura - através do Universo, um vasto campo de energia escura. Aparentemente, menos de 5% da composição do Universo é conhecida, enquanto os outros 95% são misteriosos - matéria escura e energia escura.

Domínio quântico

Mecânica estranha

Nos anos 1920, para sondar a operação do campo eletromagnético em escalas minúsculas de espaço e tempo, foi desenvolvida a mecânica quântica (QM). No entanto, os elétrons - partículas de matéria que interagem com os fótons que são os portadores de força do campo eletromagnético - parecem desafiar completamente os princípios mecânicos. Nenhum poderia prever a localização de uma partícula quântica de momento em momento.

Na experiência da fenda, um elétron viajaria através de um buraco colocado na sua frente. No entanto, um único elétron viajaria simultaneamente através de vários furos, por mais que muitos fossem colocados na sua frente. O elétron único deixaria na placa de detecção um padrão de interferência como se a partícula única fosse uma onda que tivesse passado por todos os furos simultaneamente. E, no entanto, isto só ocorria quando não fosse observado. Se a luz fosse acesa sobre o evento esperado, a interação do fóton com o campo colocaria o elétron em uma única posição.

No entanto, pelo princípio da incerteza, a localização exata de qualquer partícula quântica e seu impulso não podem ser determinados com certeza. A interação da partícula com o instrumento de observação/medição deflete a partícula de tal forma que uma maior determinação de sua posição produz uma menor determinação de seu momento, e vice versa.

Teoria de campo quantificada

Ao estender a mecânica quântica por um campo, surgiu um padrão consistente. De local para local adjacente, a probabilidade da partícula existente ali subiria e cairia como uma onda de probabilidade - uma densidade de probabilidade crescente e decrescente. Quando não observada, qualquer partícula quântica entra em superposição, de tal forma que mesmo uma única partícula preenche todo o campo, por maior que seja. No entanto, a partícula não está definitivamente em nenhum lugar do campo, mas lá com uma probabilidade definida em relação ao fato de ter estado no local adjacente. A forma de onda do campo eletromagnético de Maxwell foi gerada por uma acumulação de eventos probabilísticos. Não as partículas, mas a forma matemática, era constante.

Ajustar o campo à relatividade especial permitiu prever o campo eletromagnético completo. Assim surgiu a teoria do campo quântico relativista (QFT). Do campo eletromagnético, é a eletrodinâmica quântica relativista (QED). Dos campos eletromagnéticos fracos e eletromagnéticos juntos, surge a teoria do eletroweak relativista (EWT). Do campo forte, é a cromodinâmica quântica relativista (QCD). Ao todo, este se tornou o Modelo Padrão da física de partículas.

Divisão em Física

Quando o Modelo Padrão é definido para relatividade geral a fim de incluir a massa, surgem densidades de probabilidade de infinito. Isto é considerado incorreto, pois a probabilidade normalmente varia de 0 a 1-0% a 100% de probabilidade. Alguns físicos teóricos suspeitam que o problema está no Modelo Padrão, que representa cada partícula por um ponto zero-dimensional que, em princípio, pode ser infinitamente pequeno. Contudo, na física quântica, a constante de Planck é a unidade mínima de energia em que um campo pode ser dividido, talvez uma pista para o menor tamanho que uma partícula pode ter. Portanto, há uma busca para quantificar a gravidade - para desenvolver uma teoria da gravidade quântica.

Conceito

Estrutura

Conjecturas de cordas que, na escala microscópica, o espaço-tempo 4D de Einstein é um campo de coletores Calabi-Yau, cada um contendo 6 dimensões espaciais enroladas, não se estendendo assim para as 3 dimensões espaciais apresentadas ao reino clássico. Na teoria das cordas, cada partícula quântica é substituída por uma corda 1D de energia vibratória cujo comprimento é o comprimento de Planck. medida que a corda se move, ela traça a largura, e assim se torna 2D, uma folha de mundo. À medida que uma corda vibra e se move dentro do espaço 6D Calabi-Yau, a corda se torna uma partícula quântica. Com esta abordagem, o hipotético graviton - previsto para explicar a relatividade geral - emerge facilmente.

Teorias

A teoria das cordas começou como teoria das cordas bosônica, cujas 26 dimensões atuam como muito menos. No entanto, isto modelou apenas os bósons, que são partículas de energia, enquanto omitem os férmions, que são partículas de matéria. Portanto, a teoria bosônica das cordas não poderia explicar a matéria. No entanto, ao acrescentar a super-simetria à teoria bosônica das cordas, os férmions foram alcançados, e a teoria das cordas tornou-se a teoria das supercordas, explicando também a matéria.

(Nas versões da teoria de campo quântico que incluem a super-simetria (SUSY), cada bóson tem um férmion correspondente, e vice-versa. Ou seja, cada partícula de energia tem uma partícula de matéria correspondente, e cada partícula de matéria tem uma partícula de energia correspondente, mas o parceiro não observável é mais maciço e, portanto, super. Estes superparceiros podem parecer uma previsão extravagante, mas muitos teóricos e experimentalistas favorecem versões superassimétricas do Modelo Padrão, cujas equações devem ser ajustadas extravagantemente e às vezes arbitrariamente para manter o sucesso preditivo ou a consistência matemática, mas com os superparceiros alinhados).

Controvérsias

Não é possível testar a ciência?

A alegação da teoria das cordas de que todas as moléculas são cordas de energia tem atraído duras críticas. Há muitas versões da teoria das cordas, nenhuma delas prevendo com sucesso os dados observacionais explicados pelo Modelo Padrão. A teoria M é agora conhecida por ter inúmeras soluções, muitas vezes predizendo coisas estranhas e desconhecidas para existir. Alguns alegam que os teóricos das cordas selecionam apenas as predições desejadas.

A alegação de que a teoria das cordas não faz previsões testáveis é falsa, pois faz muitas. Nenhuma teoria - um modelo preditivo e talvez explicativo de algum domínio dos fenômenos naturais - é verificável. Todas as teorias físicas convencionais até o Modelo Padrão têm feito afirmações sobre aspectos não observáveis do mundo natural. Até mesmo o Modelo Padrão tem várias interpretações sobre o mundo natural. Quando o Modelo Padrão é operado, muitas vezes é feito uma versão com supersimetria, duplicando o número de espécies de partículas até agora identificadas pelos físicos das partículas.

Nenhum pode literalmente medir espaço, mas Newton postulou espaço e tempo absolutos, e a teoria de Newton fez previsões explícitas, altamente testáveis e previsíveis durante 200 anos, mas a teoria ainda foi falsificada como explicativa da natureza. Os físicos aceitam que não existe tal força atrativa que atraia diretamente a matéria para a matéria, muito menos que a força atravesse o universo instantaneamente. No entanto, a teoria de Newton ainda é paradigmática da ciência.

Dimensões ocultas?

A idéia de dimensionalidade oculta do espaço pode parecer oculta. Alguns teóricos da gravimetria quântica de laço - um competidor da gravimetria quântica - consideram a teoria da gravidade quântica como fundamentalmente mal orientada, presumindo que o espaço até mesmo tem uma forma até que as partículas o formem. Ou seja, eles não duvidam que o espaço toma várias formas, simplesmente consideram as partículas como determinantes da forma do espaço, e não o contrário. O vórtice espaço-tempo previsto pela relatividade geral é aparentemente confirmado.

Se interpretado como naturalmente verdadeiro, o Modelo Padrão, representando uma partícula quântica como um ponto 0D, já indica que o espaço-tempo é um mar de formas de rolo, espuma quântica. Os teóricos das cordas tendem a acreditar na natureza mais elegante, uma crença que o teórico Lee Smolin rejeita como romântica enquanto usa a Síntese Moderna da biologia como um dispositivo retórico. As experiências para detectar dimensões espaciais adicionais têm falhado até agora, mas ainda há a possibilidade de que sinais delas possam surgir.

Tantas soluções?

A teoria M tem muitos trilhões de soluções. Leonard Susskind, um líder da teoria das cordas, interpreta a plasticidade das soluções da teoria das cordas como um suporte paradoxal que resolve o mistério da existência deste universo, como mostra a teoria M, mas uma variante de um padrão geral que sempre resulta aproximadamente.

A relatividade geral trouxe muitas descobertas que em 1915 eram quase inimagináveis, exceto na ficção. Uma solução das equações de Einstein que procurava explicar a dinâmica das partículas quânticas, a Ponte Einstein-Rosen prevê um atalho ligando dois pontos distantes no espaço-tempo. Comumente chamada de wormhole, a Ponte Einstein-Rosen é duvidosa mas não desmentida, mostrando ou que nem todas as conseqüências de uma teoria devem ser exatas ou que a realidade é bastante bizarra de forma inobservável.

Muitos mundos

Mesmo o Modelo Padrão da física de partículas sugere possibilidades bizarras que os relatos populistas da ciência omitem ou mencionam como curiosidades inexplicáveis. A teoria recebe convencionalmente a interpretação de Copenhague, pela qual o campo é apenas possibilidades, nenhuma real até que um observador ou instrumento interaja com o campo, cuja função de onda então colapsa e deixa apenas sua função de partícula, sendo apenas as partículas reais. No entanto, o colapso da função de onda foi meramente assumido - nem experimentalmente confirmado nem mesmo matematicamente moderado - e nenhuma variação da função de onda no reino quântico ou da função de partícula no reino clássico foi encontrada.

Em 1957, Hugh Everett descreveu sua interpretação de "Estado relativo". Everett sustentou que a função da onda não colapsa, e uma vez que toda matéria e interações são presumidas a partir de partículas de onda quânticas, todas as possíveis variações do campo quântico - indicadas pelas equações matemáticas - são reais e ocorrem simultaneamente, mas cursos diferentes da história. Por esta interpretação, o que quer que interaja com o campo junta-se ao estado do campo relativo ao estado do observador - ele próprio uma forma de onda em seu próprio campo quântico - enquanto os dois simplesmente interagem em uma forma de onda universal nunca colapsando. Atualmente, a interpretação que muitos físicos fazem da aparente transição do campo quântico para os reinos clássicos não é um colapso da função de onda, mas uma decoerência quântica.

Em decoerência, uma interação com o campo leva o observador a uma única constelação determinante do campo quântico, e assim todas as observações se alinham com esse novo estado quântico combinado. A tese de Everett inspirou a interpretação de muitos mundos, segundo a qual dentro de nosso universo se prevê que sejam virtualmente ou potencialmente infinitos mundos paralelos que são reais, mas cada um a uma distância minúscula dos outros mundos. Como a forma de onda de cada mundo é universal - não se colapsa - e suas relações matemáticas são invariantes, os mundos paralelos simplesmente preenchem as lacunas e não se tocam.

Muitos universos

Einstein duvidava que os buracos negros, como previsto pela solução Schwarzschild, fossem reais. Alguns agora conjecturam que os buracos negros não existem como tal, mas são energia negra, ou que o nosso universo é um buraco negro e uma energia negra. A solução Schwarzschild das equações de Einstein pode ser estendida ao máximo para prever um buraco negro com um outro universo emergindo de um buraco branco. Talvez o big bang de nosso universo tenha sido metade de um grande salto, o colapso de algo até um buraco negro, e nosso universo saindo de seu outro lado como um buraco branco.

Partículas são cordas?

Os físicos duvidam amplamente que as partículas quânticas sejam verdadeiramente 0D pontos como representado no Modelo Padrão, que oferece formalismo - dispositivos matemáticos cujos traços predizem fenômenos de interesse quando da entrada de dados - e não a interpretação dos mecanismos que determinam esses fenômenos. No entanto, os teóricos das cordas tendem a conjeturar de forma otimista que as cordas são tanto reais quanto explicativas, e não meros dispositivos preditivos. Está muito além da capacidade dos aceleradores de partículas atuais de impulsionar quaisquer partículas de sondagem a níveis de energia suficientemente altos para superar a própria energia de uma partícula quântica e determinar se ela é uma cadeia. No entanto, esta limitação também existe no teste de outras teorias da gravidadequântica. Os desenvolvimentos sugerem outras estratégias para "observar" a estrutura das partículas quânticas.

Paradoxalmente, mesmo que os testes confirmassem que partículas são cordas de energia, isso ainda não provaria conclusivamente que partículas são cordas, já que poderia haver outras explicações, talvez uma urdidura inesperada do espaço, embora a partícula fosse um ponto 0D de verdadeira solidez. Mesmo quando as previsões são bem sucedidas, há muitas explicações possíveis - o problema da subdeterminação - e os filósofos da ciência, assim como alguns cientistas, não aceitam nem mesmo um sucesso preditivo impecável como verificação das explicações da teoria bem sucedida se estas forem apresentadas como oferecendo realismo científico, verdadeira descrição do mundo natural.

A matéria é energia?

A conversa de físicos de partículas testando as partículas previstas pelos físicos teóricos através da colisão de partículas em aceleradores sugere que partículas quânticas são pequenas partículas newtonianas que os experimentalistas racham para revelar sua estrutura. Em vez disso, quando duas partículas, cada uma de uma certa massa - medida em termos de energia como elétron-volts - são colididas, elas podem se combinar em uma partícula daquela massa/energia combinada, e a partícula gerada é "observada" para correspondência com a previsão.

Não é controverso entre os físicos que todas as partículas sejam energia. Os teóricos do Loop, às vezes em rivalidade com a teoria das cordas, afirmam que o próprio espaço-tempo se converte em partículas. O fato da matéria ser uma variante especial da energia foi uma conseqüência da teoria especial da relatividade de Einstein, e daí Einstein formalizou a equivalência massa-energia, E=mc2. Quando fótons suficientemente energéticos colidem, eles podem combinar e gerar criação de matéria-matéria. Todas as partículas têm antipartículas, e átomos de matéria têm antiátomos de antimatéria, cuja união aniquila as partículas e a matéria, deixando energia.

Desenvolvimentos

Um desenvolvimento inspirador é a descoberta da simetria de espelhos, onde os espaços Calabi-Yau tendem a vir em pares, de tal forma que soluções anteriormente difíceis dentro do modo vibracional extremo de uma corda podem ser resolvidas através da geometria do espaço Calabi-Yau espelho em sua gama oposta.

A teoria das cordas é geralmente resolvida através da teoria do campo conformal, uma teoria quântica de campo sobre o espaço 2D. Está confirmado que as moléculas podem colapsar para 2D. E o elétron, há muito presumido uma partícula elementar, aparentemente se divide em três entidades que carregam separadamente os três graus de liberdade do elétron quando as moléculas que contêm os elétrons são canalizadas através de um caminho 1D.