Parte 1
O único problema é aceitar essa teoria como física, é matemática demais. Por quê?
Porque deve sua aparência a uma função simples - a função beta de Euler na verdade não é tão complexa quanto parece à primeira vista. Esta função é estudada no decorrer da análise matemática.
Então, por que exatamente essa função foi o início de uma teoria tão ampla e confusa?
Função beta de Euler (Gráfico da função beta com argumentos reais).
Em 1968, um jovem físico teórico italiano Gabriele Veneziano tentou descrever como as partículas de um núcleo atômico interagem: prótons e nêutrons. O cientista teve um palpite brilhante. Ele percebeu que todas as numerosas propriedades das partículas em um átomo podem ser descritas por uma fórmula matemática (função beta de Euler). Foi inventado há duzentos anos pelo matemático suíço Leonard Euler e descreveu as integrais na análise matemática.
Veneziano usava em seus cálculos, mas não entendia por que ela trabalhava nessa área da física. O significado físico da fórmula foi descoberto em 1970 pelos cientistas americanos Yoichiro Nambu, Leonard Susskind, bem como por seu colega dinamarquês Holger Nielsen. Eles sugeriram que as partículas elementares são pequenas cordas vibratórias unidimensionais, filamentos microscópicos de energia. Se essas cordas forem tão pequenas, raciocinaram os pesquisadores, elas ainda se parecerão com partículas pontuais e, portanto, não afetarão os resultados dos experimentos. Foi assim que surgiu a teoria das cordas.
Por muito tempo, os filósofos discutiram se o universo tem uma certa origem ou se sempre existiu. A relatividade geral implica a finitude da "vida" do Universo - o Universo em expansão deveria ter surgido como resultado do Big Bang.
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No entanto, logo no início do Big Bang, a teoria da relatividade não funcionava, uma vez que todos os processos que ocorriam naquele momento eram de natureza quântica. Na teoria das cordas, que afirma ser a teoria quântica da gravidade, uma nova constante física fundamental é introduzida - o quantum mínimo de comprimento (ou seja, o comprimento mais curto em essência). Como resultado, o antigo cenário do Universo nascido no Big Bang se torna insustentável.
Espaço no nível quântico.
As cordas são os menores objetos do universo. O tamanho das cordas é comparável ao comprimento de Planck (10 ^ –33 cm). De acordo com a teoria das cordas, esse é o comprimento mínimo que um objeto no universo pode ter.
O Big Bang ainda aconteceu, mas a densidade da matéria naquele momento não era infinita, e o universo pode ter existido antes dele. A simetria da teoria das cordas sugere que o tempo não tem começo nem fim. O universo poderia ter surgido quase vazio e formado na época do Big Bang, ou passar por vários ciclos de morte e renascimento. Em qualquer caso, a era anterior ao Big Bang teve um grande impacto no espaço moderno.
Em nosso universo em expansão, as galáxias se espalham como uma multidão dispersa. Eles se afastam um do outro a uma velocidade proporcional à distância entre eles: galáxias separadas por 500 milhões de anos-luz se espalham duas vezes mais rápido que as galáxias, separadas por 250 milhões de anos-luz. Assim, todas as galáxias que observamos deveriam ter começado simultaneamente do mesmo lugar na hora do Big Bang. Isso é verdade mesmo que a expansão cósmica passe por períodos de aceleração e desaceleração. Em diagramas de espaço e tempo, as galáxias viajam ao longo de caminhos sinuosos de e para a porção observável do espaço (cunha amarela). No entanto, ainda não se sabe exatamente o que aconteceu no momento em que as galáxias (ou seus predecessores) começaram a se separar.
História do Universo.
No modelo padrão do Big Bang (ilustrado à esquerda), baseado na relatividade geral, a distância entre quaisquer duas galáxias em algum ponto de nosso passado era zero. Até então, o tempo não tem sentido.
E em modelos que levam em consideração efeitos quânticos (na figura à direita), no momento do lançamento, quaisquer duas galáxias estavam separadas por uma certa distância mínima. Tais cenários não excluem a possibilidade da existência do Universo antes do Big Bang.
Parte 2
E agora tentarei explicar por que existem tantas dessas teorias: teoria das cordas, supercordas, teoria-M.
Mais detalhes sobre cada uma das teorias:
Teoria das cordas:
Como você e eu já sabemos, a teoria das cordas é uma teoria puramente matemática, que diz que tudo em nosso mundo (e não no nosso também) é uma consequência das "vibrações" de objetos microscópicos da ordem do comprimento de Planck.
Talvez toda matéria seja feita de fios.
As propriedades da corda se assemelham a uma corda de violino. Cada corda pode produzir um número enorme (na verdade, infinito) de diferentes vibrações, conhecidas como vibrações ressonantes. São vibrações nas quais a distância entre os máximos e os mínimos é a mesma, e exatamente um número inteiro de máximos e mínimos se encaixa entre as pontas fixas da corda. Por exemplo, o ouvido humano percebe vibrações ressonantes como notas musicais diferentes. As cordas têm propriedades semelhantes na teoria das cordas. Eles podem realizar oscilações ressonantes, nas quais exatamente um número inteiro de máximos e mínimos uniformemente distribuídos se ajusta ao longo do comprimento das cordas. Da mesma forma que diferentes modos (um conjunto de tipos de vibrações harmônicas típicas de um sistema oscilatório) de vibrações ressonantes de cordas de violino dão origem a diferentes notas musicais,diferentes modos de vibração das cordas fundamentais dão origem a diferentes massas e constantes de acoplamento.
De acordo com a teoria da relatividade especial, energia e massa (E é igual ao quadrado em tse:) são os dois lados da mesma moeda: quanto mais energia, mais massa e vice-versa. E, de acordo com a teoria das cordas, a massa de uma partícula elementar é determinada pela energia vibratória da corda interna dessa partícula. As cordas internas das partículas mais pesadas vibram com mais intensidade, enquanto as cordas das partículas de luz vibram com menos intensidade.
Mais importante ainda, as características de um dos modos das cordas são exatamente as mesmas do gráviton, garantindo que a gravidade seja parte integrante da teoria das cordas.
Não quero entrar em detalhes sobre a "geometria" das cordas por enquanto, apenas direi que as partículas sem massa, que podem ser fótons, vêm de vibrações ou de cordas abertas ou fechadas. Os gravitons vêm apenas das vibrações de cordas fechadas, ou loops. As cordas interagem umas com as outras para formar loops. Partículas maiores (quarks, elétrons) surgem desses loops. A massa dessas partículas depende da energia liberada pelo loop quando ele vibra.
Na teoria das cordas, pode haver apenas duas constantes fundamentais (em outras teorias, há muito mais constantes, mesmo as mais fundamentais. Por exemplo, o modelo padrão requer 26 constantes). Um deles, chamado de tensão da corda, descreve quanta energia está contida por unidade de comprimento da corda. A outra, chamada de constante de acoplamento de string, é um número que indica a probabilidade de uma string se quebrar em duas strings, causando forças respectivamente; já que é uma probabilidade, é apenas um número, sem unidades dimensionais.
Teoria das supercordas:
Tudo o que há para saber e entender com essa frase é que essa teoria é uma teoria das cordas generalizada. Nessa teoria, tudo é considerado do ponto de vista da supersimetria - … MAS!
Antes de passarmos a discutir a supersimetria, vamos lembrar o conceito de spin. Spin é o momento angular intrínseco inerente a cada partícula. É medido em unidades da constante de Planck e pode ser inteiro ou meio inteiro. Spin é uma propriedade exclusivamente da mecânica quântica, não pode ser representada do ponto de vista clássico. Uma tentativa ingênua de interpretar as partículas elementares como pequenas "bolas", e girar - como sua rotação, contradiz a teoria da relatividade especial, uma vez que os pontos na superfície das bolas devem então se mover mais rápido que a luz. Os elétrons têm spin 1/2, os fótons têm spin 1.
A supersimetria é a simetria entre partículas com spin inteiro e meio-inteiro.
Em suma, consiste em construir teorias cujas equações não mudariam quando campos com spin inteiro fossem transformados em campos com spin meio inteiro e vice-versa. Desde então, milhares de artigos foram escritos, todos os modelos da teoria quântica de campos foram submetidos à supersimetrização e um novo aparato matemático foi desenvolvido que permite construir teorias supersimétricas.
As partículas conhecidas na natureza, de acordo com seu spin, são subdivididas em bósons (spin inteiro) e férmions (spin meio inteiro). As primeiras partículas são portadoras de interações, por exemplo, um fóton, que carrega interações eletromagnéticas, um glúon, que carrega uma força nuclear forte, e um gráviton, que carrega forças gravitacionais. O segundo é feito da matéria da qual somos feitos, como um elétron ou um quark.
Férmions (partículas que obedecem às estatísticas de Fermi-Dirac) e bósons (partículas que obedecem às estatísticas de Bose-Einstein) podem coexistir no mesmo sistema físico. Tal sistema terá um tipo especial de simetria - a chamada supersimetria, que mapeia bósons para férmions e vice-versa. Isso, é claro, requer um número igual de bósons e férmions, mas as condições para a existência da supersimetria não se limitam a isso. Os sistemas supersimétricos vivem no superespaço. O superespaço é obtido a partir do espaço-tempo comum quando as coordenadas fermiônicas são adicionadas a ele. Em uma formulação de superespaço, as transformações de supersimetria parecem rotações e translações no espaço comum. E as partículas e campos que vivem nele são representados por um conjunto de partículas ou campos no espaço comum, e tal conjunto,em que a proporção quantitativa de bósons e férmions é estritamente fixa, assim como algumas de suas características (principalmente spins). Os campos de partículas incluídos em tal conjunto são chamados de superparceiros.
Portanto, a teoria das cordas convencional descreveu apenas partículas que eram bósons, por isso foi chamada de teoria das cordas bosônicas. Mas ela não descreveu férmions. Portanto, quarks e elétrons, por exemplo, não foram incluídos na teoria das cordas bosônicas.
Mas, ao adicionar a supersimetria à teoria das cordas bosônicas, temos uma nova teoria que descreve as forças e a matéria que constituem o universo. É chamada de teoria das supercordas.
Existem três teorias de supercordas diferentes que fazem sentido, ou seja, sem inconsistências matemáticas. Em dois deles, o objeto fundamental é a corda fechada, enquanto no terceiro, a corda aberta é o bloco de construção. Além disso, ao misturar os melhores aspectos da teoria das cordas bosônicas e da teoria das supercordas, temos teorias das cordas consistentes - teorias das cordas heteróticas.
Assim, uma supercorda é uma corda supersimétrica, ou seja, ainda é uma corda, mas não vive em nosso espaço usual, mas no superespaço.
M-TEORIA:
Em meados da década de 1980, os teóricos chegaram à conclusão de que a supersimetria, que é fundamental para a teoria das cordas, pode ser incorporada a ela não de uma, mas de cinco maneiras diferentes, levando a cinco teorias diferentes: tipo I, tipos IIA e IIB, e duas heteróticas teorias de cordas. Por razões de bom senso (duas versões da mesma lei física não podem operar simultaneamente), acreditava-se que apenas uma delas poderia reivindicar o papel de uma "teoria de tudo", aliás, aquela que em baixas energias e compactada (ou seja, tamanhos de comprimentos de Planck.
Acontece que apenas observamos nosso Universo de 4 dimensões sem essas 6 dimensões, que simplesmente não vemos), seis dimensões adicionais seriam consistentes com observações reais. Permaneciam questões sobre qual teoria era mais adequada e o que fazer com as outras quatro teorias.
A essência:
Se, neste caso, o tamanho da dimensão compacta for da ordem do tamanho das cordas (10 a -33 graus de centímetro), então, por causa da pequenez desta dimensão, simplesmente não podemos vê-la diretamente. Por fim, teremos nosso espaço (3 + 1) -dimensional, no qual um pequeno espaço 6-dimensional corresponde a cada ponto de nosso Universo 4-dimensional.
A pesquisa mostrou que essa visão ingênua está errada. Em meados da década de 1990, Edward Witten e outros físicos teóricos encontraram fortes evidências de que todas as cinco teorias das supercordas estão intimamente relacionadas umas às outras, sendo diferentes casos limites de uma única teoria fundamental de 11 dimensões. Essa teoria é chamada de Teoria-M.
Quando Witten deu o nome de teoria-M, ele não especificou o que M representava, presumivelmente porque não sentia o direito de nomear uma teoria que não pudesse descrever completamente. As suposições sobre o que M pode representar tornaram-se um jogo entre os físicos teóricos. Alguns dizem que M significa "Místico", "Mágico" ou "Mãe". Suposições mais sérias são "Matrix" e "Membrane". Alguém percebeu que M pode ser um W invertido - a primeira letra do nome Witten (Witten). Outros sugerem que M na teoria-M deveria significar ausente ou mesmo turvo.
O desenvolvimento da teoria M 11-dimensional permitiu que os físicos olhassem para além da época anterior à ocorrência do Big Bang.
Branas no espaço de 10-11 dimensões colidem e criam um Big Bang na * superfície * das branas …
Foi criada uma teoria segundo a qual nosso universo é consequência da colisão de objetos em outro universo, que, por sua vez, pode ser incontável. Assim, a divulgação de uma questão levou ao surgimento de ainda mais questões.
A Teoria M foi considerada pelos cientistas como a teoria de tudo. Ou seja, essa teoria é adequada para explicar tudo: como o Universo nasceu, o que era antes do nascimento do nosso Universo, responde à questão da existência do tempo antes do nascimento do Universo (o tempo existia antes mesmo do nascimento do Universo), revela o futuro do Universo.
Parte 3
Orifícios da corda:
A agora geralmente aceita teoria dos buracos negros, apresentada há quarenta anos pelo físico John Wheeler, diz que depois que uma estrela "queima", seus restos são comprimidos com tal força que a força de atração excede a força de repulsão e, como resultado, uma singularidade permanece: o ponto no espaço onde a matéria está localizada em um estado de "densidade infinita". A singularidade é circundada pelo chamado "horizonte de eventos", uma fronteira hipotética que não é capaz de superar a matéria e a energia dentro dela. Eles são "atraídos" para o buraco negro e permanecem lá para sempre.
Representação de um buraco negro.
É esse "para sempre" que levanta questões.
Em 1975, o maior teórico de buracos negros, Stephen Hawking, da Universidade de Cambridge, estabeleceu (embora apenas teoricamente) que os buracos negros evaporam lenta mas inevitavelmente. De acordo com as leis da mecânica quântica, pares de partículas e antipartículas "virtuais" estão constantemente fervendo no espaço vazio. Hawking mostrou que a energia gravitacional dos buracos negros pode ser transferida para partículas "virtuais" no próprio horizonte de eventos. Neste caso, as partículas "virtuais" tornam-se reais e vão além do horizonte juntamente com energia positiva na forma de radiação Hawking. Assim, com o tempo, o buraco negro evapora.
Temperatura de radiação Hawking (radiação perto do horizonte de eventos do buraco negro com um espectro térmico):
Temperatura de radiação do buraco negro
onde é a constante de Planck, c é a velocidade da luz no vácuo, k é a constante de Boltzmann, G é a constante gravitacional e, finalmente, M é a massa do buraco negro. Por exemplo, é fácil calcular que um buraco negro com massa de 2 * 10 ^ 30 kg (a massa do Sol) terá uma temperatura de radiação igual a 6,135 * 10 ^ (- 8) Kelvin. Esta é uma temperatura muito baixa, mesmo quando comparada à radiação de fundo do Universo com uma temperatura de 2,7 Kelvin.
Mas as temperaturas dos buracos negros conhecidas pelos astrônomos são muito baixas para detectar a radiação deles - as massas dos buracos são muito grandes. Portanto, o efeito ainda não foi confirmado por observações.
No entanto, essa visão leva a um "paradoxo da informação". Acontece que, de acordo com a teoria da relatividade, as informações sobre a matéria caindo em um buraco negro são perdidas, enquanto a mecânica quântica afirma que as informações podem eventualmente escapar para fora.
Hawking notou que a natureza caótica da radiação de Hawking significa que a energia está explodindo, mas a informação não. No entanto, em 2004, ele mudou de ideia - e este é apenas um dos pontos da ciência moderna revisando todas as suas visões sobre os buracos negros.
O fato é que agora os teóricos estão tentando "experimentar" os buracos negros (e todas as discrepâncias teóricas associadas a eles) a teoria das cordas. A teoria das cordas é agora a melhor tentativa de combinar a relatividade geral e a mecânica quântica, uma vez que as próprias cordas carregam uma força gravitacional, e sua vibração é aleatória, conforme previsto pela mecânica quântica.
Em 1996, Andrew Strominger e Kamran Wafa, da Universidade de Harvard, decidiram abordar o problema do paradoxo da informação definindo como um buraco negro poderia ser construído por dentro.
Descobriu-se que a teoria das cordas permite a construção de estruturas extremamente densas e de pequena escala a partir das próprias cordas e de outros objetos descritos pela teoria, alguns dos quais têm mais de três dimensões. E essas estruturas se comportavam exatamente como buracos negros: sua atração gravitacional não libera luz.
O número de maneiras de organizar cordas dentro dos buracos negros é impressionante. E, o que é especialmente interessante, esse valor coincide completamente com o valor da entropia do buraco negro, que Hawking e seu colega Bekenstein calcularam nos anos setenta.
No entanto, determinar o número de combinações de strings possíveis não é tudo. Em 2004, a equipe da Ohio State University, Samir Matura, decidiu esclarecer a possível disposição das cordas dentro de um buraco negro. Descobriu-se que quase sempre as cordas são conectadas de modo que formem uma única - grande e muito flexível - corda, mas muito maior do que a singularidade do ponto.
O grupo Matura calculou as dimensões físicas de vários buracos negros de "cordões" (que os membros do grupo preferem chamar de bolas de penugem - "bolas fofas" ou estrelas fibrosas - "estrelas de cordas"). Eles ficaram surpresos ao descobrir que o tamanho dessas formações de cordas coincidia com o tamanho do "horizonte de eventos" na teoria tradicional.
A este respeito, Mathur sugeriu que o chamado. O “horizonte de eventos” é na verdade uma “massa espumante de cordas”, não uma fronteira rigidamente delineada.
E que um buraco negro não destrói informação pela razão, por exemplo, que simplesmente não há singularidade em buracos negros. A massa das cordas é distribuída por todo o volume até o horizonte de eventos, e as informações podem ser armazenadas nas cordas e impressas na radiação Hawking de saída (e, portanto, ir além do limite do evento).
No entanto, tanto Wafa quanto Mathur admitem que esta imagem é muito preliminar. Matura ainda não testou como seu modelo se encaixa em grandes buracos negros ou entendeu como os buracos negros evoluem.
Outra opção foi sugerida por Gary Horowitz, da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, e Juan Maldasena, do Princeton Institute for Advanced Study. Segundo esses pesquisadores, a singularidade no centro do buraco negro ainda existe, mas a informação simplesmente não entra nela: a matéria vai para a singularidade, e a informação - por meio do teletransporte quântico - é impressa na radiação de Hawking. Muitos físicos contestam esse ponto de vista, rejeitando a possibilidade de uma transferência instantânea de informações.
Buracos negros extremos:
Diversidade (o espaço euclidiano é o exemplo mais simples de diversidade. Um exemplo mais complexo é a superfície da Terra. É possível fazer um mapa de qualquer área da superfície da Terra, por exemplo, um mapa do hemisfério, mas é impossível fazer um único (sem quebras) mapa de toda a sua superfície) ao longo do qual uma corda pode se mover é chamada de D-brana ou Dp-brana (ao usar a segunda notação, 'p' é um número inteiro que caracteriza o número de dimensões espaciais da variedade). Um exemplo são duas colunas que têm uma ou ambas as extremidades anexadas a uma D-brana ou D2-brana bidimensional:
As D-branas podem ter um número de dimensões espaciais de -1 ao número de dimensões espaciais de nosso espaço-tempo. A própria palavra 'brana' vem da palavra 'membrana', que é uma superfície bidimensional.
Por que escrevi sobre isso aqui, mas aqui:
Branes tornou possível descrever alguns buracos negros especiais na teoria das cordas (esta descoberta foi feita por Andrew Strominger e Kumrun Wafa em 1996, acima).
A relação entre branas e buracos negros é indireta, mas convincente. Funciona assim: você começa desligando a força gravitacional (você faz isso definindo a constante de acoplamento da corda (o número que representa a probabilidade de uma corda se quebrar em duas cordas - uma das duas constantes fundamentais na teoria das cordas. A primeira é a "tensão" da corda) em zero) Pode parecer estranho descrever buracos negros, que nada mais são do que gravidade, entretanto, vamos ver o que acontece a seguir. Com a gravidade desligada, podemos considerar geometrias onde muitas branas estão envolvidas em dimensões extras. Agora usamos o fato de que as branas carregam cargas elétricas e magnéticas. Acontece que existe um limite para a quantidade de carga que uma brana pode ter, esse limite está relacionado à massa da brana. As configurações de carga máxima são muito específicas e são chamadas de extremas. Eles incluem uma das situações em que existem simetrias adicionais que permitem cálculos mais precisos. Em particular, tais situações são caracterizadas pela presença de várias supersimetrias diferentes que ligam férmions e bósons.
Há também a quantidade máxima de carga elétrica ou magnética que um buraco negro pode ter e ainda ser estável. Eles são chamados de buracos negros extremos e têm sido estudados por especialistas em relatividade geral há muitos anos.
Apesar do fato de que a força gravitacional foi desligada, o sistema de membrana extrema compartilha algumas propriedades com buracos negros extremos. Em particular, as propriedades termodinâmicas dos dois sistemas são idênticas. Assim, através do estudo da termodinâmica de branas extremas envolvendo dimensões extras, pode-se reproduzir as propriedades termodinâmicas de buracos negros extremos.
Um dos problemas da física dos buracos negros foi a explicação da descoberta de Jacob Bekenstein e Stephen Hawking de que os buracos negros têm entropia e temperatura. A nova ideia da teoria das cordas é (no caso de buracos negros extremos) que você pode avançar na exploração de sistemas semelhantes de branas extremas envolvendo dimensões extras. Na verdade, muitas das propriedades dos dois sistemas são exatamente as mesmas. Essa coincidência quase sobrenatural surge porque em ambos os casos há várias transformações supersimétricas diferentes ligando férmions e bósons. Acontece que eles nos permitem construir uma analogia matemática convincente que torna a termodinâmica * de dois sistemas idêntica.
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* Termodinâmica de um buraco negro (propriedades):
- A força da gravidade é a mesma em toda a superfície do horizonte de eventos
- A área do horizonte de eventos de um buraco negro não pode diminuir com o tempo em nenhum processo clássico.
- Em qualquer processo de não equilíbrio envolvendo buracos negros (por exemplo, quando eles colidem), a área da superfície aumenta.
