Em um artigo da revista Quanta, o físico e matemático holandês Robbert Dijkgraaf usa a metáfora espacial da "paisagem" para explicar a importância revolucionária da teoria das cordas para a compreensão do universo.
O principal dilema da física quântica
Imagine que Alice e Bob sejam convidados a preparar o jantar. Alice adora comida chinesa, Bob adora italiana. Cada um escolhe sua receita favorita, compra em uma loja local e segue as instruções claramente. Mas quando tiram a comida do forno, os dois ficam bastante surpresos. Ambos os pratos são exatamente iguais. Só podemos imaginar as perguntas existenciais que Alice e Bob estão fazendo. Como ingredientes diferentes podem fazer os mesmos pratos? O que significa cozinhar comida chinesa ou italiana? Ou eles abordaram o processo de cozimento de forma tão errada?
Esta é uma ilustração do dilema central dos físicos quânticos. Eles encontraram muitos exemplos de como dois conceitos completamente diferentes podem descrever o mesmo sistema físico. No caso da física, em vez de carnes e molhos, partículas e forças agem como ingredientes, as receitas são fórmulas de interação, e o processo de cozimento é um procedimento de discretização que coloca a probabilidade de fenômenos físicos de acordo com fórmulas. Assim como Alice e Bob, os cientistas ficam surpresos ao ver como diferentes receitas levam aos mesmos resultados.
A natureza teve a capacidade de escolher suas leis fundamentais? Albert Einstein, pelo que sabemos, acreditava que havia apenas uma maneira, baseada em alguns princípios básicos, de construir um universo elegante e funcional. Do seu ponto de vista, se investigarmos a essência da física em um nível suficientemente profundo, então chegaremos à conclusão de que existe apenas uma e única forma possível de interação de todas as engrenagens do mecanismo do relógio universal - matéria, radiação, forças, espaço e tempo.
A teoria das cordas como uma "teoria de tudo"
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O modelo padrão atual da física de partículas é um mecanismo inerte feito de um pequeno conjunto de ingredientes. Mas, apesar da aparente singularidade, nosso Universo é apenas um dos incontáveis mundos possíveis. Não temos a menor idéia de por que essa configuração particular de partículas e as forças que agem sobre elas são a base de nossa ordem mundial.
Por que existem seis "sabores" de quarks, três "gerações" de neutrinos e uma partícula de Higgs? Além disso, dezenove constantes físicas fundamentais (como a massa e a carga de um elétron) estão incluídas no modelo padrão. Os valores desses "parâmetros livres", ao que parece, não carregam nenhum significado profundo. Por outro lado, a física de partículas é um exemplo de elegância. Por outro lado, é apenas uma bela teoria.
Se nosso mundo é apenas um entre muitos, o que devemos fazer com os mundos alternativos? O ponto de vista atual é o oposto absoluto da ideia de Einstein de um universo único. Os físicos modernos cobrem um grande espaço de probabilidades e tentam entender a lógica de suas interconexões. De garimpeiros de ouro, eles evoluíram para geógrafos e geólogos, mapeando a paisagem e estudando detalhadamente as forças que a moldaram.
Um marco nesse processo foi o nascimento da teoria das cordas. No momento ela é a única candidata ao título de "teoria de tudo". A boa notícia é que não existem parâmetros livres na teoria das cordas. Não há dúvida de qual teoria das cordas descreve nosso universo, porque ele é único. A ausência de quaisquer funções adicionais leva a consequências radicais. Todos os números na natureza devem ser determinados pela própria física. Não são "constantes da natureza", mas simplesmente variáveis obtidas de equações (às vezes, embora incrivelmente complexas).
Más notícias, senhores. O espaço de solução para a teoria das cordas é vasto e complexo. Isso é normal para a física. Tradicionalmente, as leis fundamentais são distinguidas, com base em equações matemáticas e nas soluções dessas equações. Normalmente, existem várias leis e um número infinito de soluções. Vamos seguir as leis de Newton. Eles são nítidos e elegantes, mas descrevem uma gama incrivelmente ampla de fenômenos, de uma maçã caindo a uma órbita lunar. Conhecendo o estado inicial do sistema, essas leis podem ser usadas para descrever seu estado no momento seguinte. Não esperamos ou exigimos uma solução universal que descreva tudo.
Paisagem ecumênica
Na teoria das cordas, alguns dos elementos comumente vistos como leis são, na verdade, soluções. Eles são determinados pela forma e pelo tamanho das dimensões extras ocultas. O espaço de todas essas soluções é muitas vezes referido como a "paisagem", mas isso é dito com demasiada leveza. Mesmo as paisagens de montanha mais impressionantes empalidecem diante da vastidão deste espaço. E embora sua geografia ainda não tenha sido totalmente estudada, é seguro dizer que seus continentes são enormes.
Uma das suposições mais sofisticadas da teoria é que tudo está possivelmente interconectado. Se sacudirmos bem o universo, poderemos passar de um mundo hipotético a outro, mudando o que estamos acostumados a considerar as leis imutáveis da natureza e obtendo uma nova combinação de partículas elementares que compõem nossa realidade.
Mas como podemos explorar a vasta paisagem de modelos físicos do universo, que poderiam facilmente ter centenas de dimensões? Pense nisso como um trecho de natureza selvagem em grande parte não desenvolvido, grande parte dele escondido sob espessas camadas de complexidade irresistível. Lugares habitáveis só podem ser encontrados nas próprias fronteiras. Aqui a vida é simples e gratuita. Aqui estão os modelos básicos que entendemos perfeitamente. Eles não são muito importantes para descrever o mundo real, mas servem como um ponto de partida conveniente para explorar as imediações.
Um bom exemplo é a eletrodinâmica quântica (QED), uma teoria que descreve as interações entre matéria e luz. Este modelo possui um parâmetro, denominado “constante de estrutura fina”, que expressa a força da interação entre dois elétrons. Numericamente, é próximo a 1/137. No QED, todos os processos podem ser considerados como decorrentes de interações elementares. Por exemplo, a repulsão de dois elétrons pode ser considerada uma troca de fótons. A eletrodinâmica quântica se propõe a considerar todas as maneiras possíveis pelas quais dois elétrons podem trocar fótons.
Na prática, isso significa que os físicos se deparam com a necessidade de calcular somas infinitas de grande complexidade. Mas a teoria também oferece uma saída: cada troca adicional de fótons adiciona uma condição na qual a constante de estrutura fina é elevada à próxima potência. Como o número dessas trocas é relativamente pequeno, as condições adicionais não têm muito impacto. Eles podem ser negligenciados, aproximando-os do valor "real". Encontraremos essas teorias fracamente acopladas nos postos avançados da paisagem. Aqui as forças são fracas, e faz sentido falar sobre a lista de ingredientes - partículas elementares - e a receita para sua interação. Mas se deixarmos nossos lugares habitáveis e mergulharmos em áreas inexploradas, cada condição adicional se tornará cada vez mais importante. Agora não distinguimos mais entre partículas individuais. Eles se dissolvemtransformando-se em uma teia emaranhada de energia, como os ingredientes de uma torta no forno.
No entanto, nem tudo está perdido. Às vezes, outro posto avançado é visto no final do caminho. Em outras palavras, outro modelo bem controlado, desta vez consistindo em um conjunto completamente diferente de partículas e forças. Nesses casos, há duas receitas alternativas para a mesma física subjacente, como nos jantares de Alice e Bob. Essas descrições conjugadas são chamadas de modelos duais, e a conexão entre eles é chamada de dualidade. Esses opostos podem ser vistos como uma grande generalização do famoso dualismo onda-partícula descoberto por Heisenberg. No caso de Alice e Bob, ela assume a forma de uma conversão entre receitas chinesas e italianas.
Tudo está interligado
Por que tudo é tão emocionante do ponto de vista da física? Em primeiro lugar, a suposição de que muitos (senão todos) modelos são partes constituintes de um enorme espaço interconectado é uma das descobertas mais surpreendentes da física quântica moderna. Esta é uma mudança de perspectiva digna de ser chamada de "mudança de paradigma". Em vez de um arquipélago de ilhas dispersas, exploramos um vasto continente.
Em certo sentido, estudando um modelo profundamente o suficiente, seremos capazes de compreendê-los todos. Podemos explorar a relação entre esses modelos nos concentrando no esboço geral de sua estrutura. É importante observar que esse fenômeno depende muito de a teoria das cordas ser consistente com o mundo real. Essa propriedade é inerente à física quântica, que é imutável independentemente do que a "teoria de tudo" venha a ser.
Mais dramática é a conclusão de que todas as teorias tradicionais da física fundamental devem ir para a lata de lixo da história. Partículas, campos, forças, simetrias - tudo isso nada mais é do que artefatos de uma vida livre nos postos avançados de uma paisagem infinita de complexidade impensável. Parece incrível, ou pelo menos extremamente limitado, ver a física em termos de blocos de construção elementares.
Talvez haja uma estrutura fundamentalmente nova que une as leis fundamentais da natureza e ignora todos os conceitos aos quais estamos acostumados. As sutilezas matemáticas e a elegância da teoria das cordas são uma motivação tentadora para aceitar esse ponto de vista. Mas vamos ser honestos. Muito poucas idéias modernas sobre o que tomará o lugar de partículas e campos são "loucas o suficiente para ser verdade", como disse Niels Bohr.
