O físico teórico Joseph Polchinsky, da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, previu o ano de conclusão da criação da teoria quântica da gravidade. Segundo o cientista, isso acontecerá em 2131, e será baseado na teoria das cordas, que a esmagadora maioria dos físicos e matemáticos modernos reconhece como a única candidata ao papel de "teoria de tudo". Polchinsky, laureado com o Prêmio de Física Fundamental estabelecido pelo empresário russo Yuri Milner, esboçou suas considerações em uma pré-impressão no site arXiv.org.
No processo de desenvolvimento, a física investigou escalas cada vez menores de distâncias e escalas de energias cada vez maiores. No início do século 20, os cientistas receberam suas primeiras idéias sobre fenômenos que ocorrem em escala atômica. A essa altura, os físicos têm acesso a escalas de dez à décima sétima potência dos centímetros, correspondentes a experimentos no Grande Colisor de Hádrons, que possibilitaram descobrir o bóson de Higgs. Comparando os estágios e taxas de desenvolvimento da física nos séculos XX e no início do XXI, Polchinsky previu que em 2131 a teoria quântica da gravidade estaria finalmente formulada. Para isso, o cientista examinou a evolução da física nos últimos cem anos e comparou as conquistas da humanidade em certas escalas de energia com a época desse evento.
Em 1899, o físico alemão Max Planck levou em consideração o comprimento que leva seu nome, composto de constantes fundamentais (constante de Planck, constante gravitacional e a velocidade da luz no vácuo) e igual a dez a menos trinta e três potências de centímetros. Atualmente, esse valor é considerado uma escala inatingível para experimentos modernos nos quais opera a teoria das cordas. A escala de dez centímetros à décima sétima potência menos de centímetros em uma escala logarítmica corresponde ao meio da distância. Conseqüentemente, a mesma quantidade de tempo permanece antes da criação da "teoria de tudo", pois 116 anos se passaram desde a introdução do comprimento de Planck na ciência.
Escala de comprimento.
A pequenez do comprimento de Planck permite, segundo Polchinsky, fornecer o necessário "borramento" das interações, explicando a não renormalizabilidade (impossibilidade de eliminação de divergências) da teoria da gravidade. Assim, o SM e as três interações fundamentais descritas por ele (eletromagnética, fraca e forte) são renormalizáveis, enquanto a versão da gravidade quântica obtida por quantização ingênua (isto é, de acordo com a mesma receita da teoria de campo clássica), já na segunda ordem da teoria de perturbação acaba sendo divergente.
De acordo com Polchinsky, na escala de Planck, as flutuações do espaço-tempo tornam-se significativas. Eles formam a chamada espuma de espaço-tempo e fornecem a divergência observada da versão ingênua da gravidade quântica. Como exemplo histórico, o cientista cita a teoria de Enrico Fermi, que descreve qualitativamente bem a interação fraca, mas não é renormalizável.
Foi somente depois que Steven Weinberg, Sheldon Glashow e Abdus Salam criaram uma teoria eletrofraca renormalizável que combina interações eletromagnéticas e fracas e introduz bósons eletrofracos intermediários que ficou claro que a teoria de Fermi é uma aproximação de baixa energia de outro modelo mais geral (neste caso, o eletrofraco) … Polchinsky acredita que o mesmo acontecerá com a gravidade quântica.
Joseph Polchinsky.
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Polchinsky conecta a singularidade da dinâmica da teoria das cordas com a presença de apenas um parâmetro necessário para descrever a natureza - a chamada constante das cordas. Enquanto isso, segundo o cientista, atualmente a "teoria de tudo" não possui nenhum princípio uniforme (primeiro princípio) que permita deduzi-la de forma dedutiva. Para a relatividade geral, existe esse elemento: o princípio da equivalência local entre o campo gravitacional e o movimento com aceleração. O exemplo clássico desse início está no elevador. Com seu movimento ascendente uniformemente acelerado em relação à Terra, o observador nele não é capaz de determinar se está em um campo gravitacional mais forte ou se move em um objeto feito pelo homem.
Em seu artigo, Polchinsky menciona a importância das flutuações quânticas para resolver as equações da teoria das cordas. Apesar do fato de que as equações modernas da teoria quântica de campos e da relatividade geral descrevem bem o mundo observado nas escalas experimentais disponíveis, elas podem ser modificadas de forma que não contradiga os primeiros princípios dessas teorias. Enquanto isso, isso leva a efeitos que não foram observados até o momento, que são significativos na escala de Planck.
Polchinsky refere-se a modificações como a introdução de termos com derivadas superiores nas equações da teoria quântica de campos (no momento, existem apenas termos quadráticos com as primeiras derivadas dos campos) e a adição de termos quadráticos na curvatura do espaço-tempo às equações de Einstein em GR. Esses acréscimos levam à necessidade de levar em conta as flutuações da espuma espaço-temporal que existe, de acordo com as previsões da teoria das cordas, na escala de Planck.
Espuma quântica.
Polchinsky explica o papel do espaço para a teoria das cordas usando o exemplo da simetria do espelho, que permite a existência de diferentes variedades de Eugenio Calabi e Shintana Yau, que, sendo compactadas (dobradas em dimensões espaciais adicionais extremamente pequenas) de diferentes espaços, podem levar às mesmas propriedades das partículas elementares … Isso (junto com o potencial para a existência de dimensões espaciais adicionais) sugere que a física observada é uma manifestação da geometria multidimensional do espaço-tempo e sua estrutura na escala de Planck.
A dualidade das teorias de calibre e da gravidade quântica, entendida como holografia, permitirá, segundo Polchinsky, descrever a física das partículas e a gravidade de forma uniforme. O princípio holográfico, proposto em 1993 pelo físico holandês Gerard t'Hooft, afirma que a informação contida em sua fronteira externa (feixe) é suficiente para uma descrição matemática de um mundo: uma ideia de um objeto de dimensão superior, neste caso, pode ser obtida a partir de hologramas, tendo uma dimensão inferior.
Aplicado à teoria das cordas, o princípio se materializou na ideia da correspondência AdS / CFT, apontada em 1998 pelo físico teórico americano de origem argentina Juan Maldacena. Nessa hipótese, a equivalência da descrição da física em espaços especiais leva à existência de conexões únicas entre seus parâmetros - dualidades. Matematicamente, isso se manifesta na presença de uma relação que permite calcular os parâmetros de interação de partículas (ou cordas) de uma das teorias, se conhecidas pela outra.
O universo holográfico.
Polchinsky conecta o progresso na compreensão da física dos buracos negros com o fato de que em 1996, dentro da estrutura da teoria das cordas, Andrew Strominger e Kumrun Wafa demonstraram a derivação da expressão para a entropia dos buracos negros, obtida pela primeira vez termodinamicamente pelo físico israelense Jacob Bekenstein em 1973. A conclusão deles indica que a evaporação dos buracos negros preserva a unitariedade da mecânica quântica (associada a uma interpretação consistente da probabilidade), que foi questionada anteriormente pelo cientista britânico Stephen Hawking.
A arbitrariedade nos valores das constantes fundamentais observadas, segundo Polchinsky, embora seja uma séria dificuldade na "teoria de tudo", pode, no entanto, esclarecer algumas características universais da natureza (em particular, a existência do Multiverso). O cientista chamou o valor diferente de zero da constante cosmológica (o termo lambda nas equações de Einstein) como a principal característica que teoricamente indica a existência de mundos paralelos. Segundo o cientista, a grande maioria das teorias das cordas envolve o multiverso. Esses modelos também contêm uma constante cosmológica diferente de zero. Ou seja, segundo Polchinsky, um não pode existir sem o outro. Além disso, aplicando a inferência bayesiana, o físico estimou a probabilidade de existência do Multiverso em 94 por cento (isso corresponde a uma significância estatística de dois desvios padrão).
“Você pode discordar da minha estimativa de 94 por cento, mas não há nenhum argumento racional de que o multiverso não exista ou que seja improvável”, escreve Polchinsky. O cientista está otimista quanto às perspectivas para a formulação da gravidade quântica (no âmbito da teoria das cordas), continua a trabalhar nessa direção e não exclui que a construção de uma "teoria de tudo" seja concluída antes do previsto - antes do ano 2131 por ele previsto.
Andrey Borisov
