Diz a lenda que Albert Einstein passou suas últimas horas na Terra traçando algo em um pedaço de papel em uma tentativa final de formular uma teoria de tudo. Sessenta anos depois, outro lendário cientista no campo da física teórica, Stephen Hawking, deixará este mundo com pensamentos semelhantes. Sabemos que Hawking acreditava que a chamada teoria M era nossa melhor chance de criar uma teoria completa do universo. Mas o que é isso?
Desde que a teoria geral da relatividade de Einstein foi formulada em 1915, todo físico teórico sonha em reconciliar nossa compreensão do mundo infinitamente pequeno de átomos e partículas com a escala infinitamente grande do espaço. Enquanto o último é perfeitamente descrito pelas equações de Einstein, o primeiro é previsto com extraordinária precisão pelo chamado Modelo Padrão de Interações Fundamentais.
Nosso entendimento atual é que a interação entre objetos físicos é descrita por quatro forças fundamentais. Dois deles - gravidade e eletromagnetismo - aparecem para nós no nível macroscópico, lidamos com eles todos os dias. As outras duas - interações fracas e fortes - aparecem em uma escala muito pequena e apenas quando estamos lidando com processos subatômicos.
O Modelo Padrão de Interações Fundamentais fornece uma estrutura única para três dessas forças, mas a gravidade não quer se encaixar neste quadro de forma alguma. Apesar das descrições precisas de fenômenos de grande escala, como o comportamento de um planeta em órbita ou a dinâmica das galáxias, a relatividade geral falha em distâncias muito curtas. De acordo com o modelo padrão, todas as forças são mediadas por certas partículas. No caso da gravidade, o trabalho é feito pelo gráviton. Mas quando tentamos calcular as interações desses grávitons, infinidades sem sentido aparecem nas equações.
Uma teoria da gravidade completa deve funcionar em qualquer escala e levar em consideração a natureza quântica das partículas fundamentais. Isso permitiria que a gravidade se encaixasse em uma estrutura combinada com três outras interações fundamentais, criando assim a notória teoria de tudo. Claro, desde que Albert Einstein morreu em 1955, um progresso significativo foi feito nesta área. Nosso melhor candidato hoje é chamado de teoria-M.
A revolução das cordas
Para entender a ideia básica da teoria M, você precisa voltar à década de 1970, quando os cientistas perceberam que, em vez de descrever o universo com base em partículas pontuais, seria melhor descrevê-los como cordas oscilantes (tubos de energia). Uma nova maneira de compreender os constituintes fundamentais da natureza levou à solução de muitos problemas teóricos. Em primeiro lugar, uma única vibração de uma corda pode ser interpretada como um gráviton. E, ao contrário da gravidade padrão, a teoria das cordas pode descrever suas interações matematicamente e não obter infinitos estranhos. Isso significa que a gravidade pode ser incluída na estrutura combinada.
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Após essa descoberta emocionante, os físicos teóricos trabalharam muito para compreender suas consequências. Mas, como costuma acontecer com a pesquisa científica, a história da teoria das cordas está cheia de altos e baixos. No início, as pessoas ficaram perplexas por ela ter previsto a existência de uma partícula que se move mais rápido que a luz, o chamado "tachyon". Essa previsão contradizia todas as observações experimentais e lançou uma séria sombra sobre a teoria das cordas.
No entanto, esse problema foi resolvido no início dos anos 1980 com a introdução da chamada “supersimetria” na teoria das cordas. Ela prevê que cada partícula tem seu próprio superparceiro e, por uma coincidência incomum, a mesma condição na verdade elimina o tachyon. Este primeiro sucesso é amplamente conhecido como a “revolução da primeira corda”.
Outra característica incomum é que a teoria das cordas requer dez dimensões de espaço-tempo. Atualmente, sabemos apenas quatro: profundidade, altura, largura e tempo. Embora isso pareça ser um grande obstáculo, várias soluções foram propostas até agora e, atualmente, parece ser mais uma característica incomum do que um problema.
Por exemplo, poderíamos existir em um mundo quadridimensional sem qualquer acesso a dimensões adicionais. Ou as dimensões extras podem ser “compactas” e caber em escalas tão pequenas que não as notaríamos. No entanto, diferentes compactificações levariam a diferentes valores de constantes físicas e diferentes leis da física. Uma possível solução é que nosso Universo é apenas um de muitos em um “universo múltiplo” infinito governado por diferentes leis físicas.
Teoria M
Havia mais um problema que atormentava os teóricos das cordas da época. A classificação cuidadosa revelou a existência de cinco teorias de cordas sequenciais distintas, e não estava claro por que a natureza deveria escolher uma das cinco.
É aqui que a teoria M entra em jogo. Durante a segunda revolução das cordas em 1995, os físicos sugeriram que cinco teorias de cordas sucessivas são, na verdade, faces diferentes de uma teoria única que existe em onze dimensões de espaço-tempo chamadas teoria-M. Ele incorpora cada teoria das cordas em uma variedade de contextos físicos, permanecendo viável para todos. Este quadro incrivelmente fascinante levou a maioria dos físicos teóricos à ideia de que a teoria M se tornará uma teoria de tudo - e também é matematicamente mais consistente do que qualquer outra teoria proposta.
Seja como for, até agora a teoria M não foi capaz de produzir previsões que pudessem ser verificadas experimentalmente. A supersimetria está sendo testada no Large Hadron Collider. Se os cientistas pudessem encontrar sinais da existência de superparceiros, isso finalmente fortaleceria a posição da teoria-M. Mas a física teórica moderna ainda não é capaz de dar previsões verificáveis, e a física experimental não pode apresentar experimentos para essa verificação.
A maioria dos grandes físicos e cosmologistas está obcecada em encontrar essa descrição bonita e simples do mundo que poderia explicar tudo. E embora ainda estejamos longe disso, sem pessoas brilhantes e criativas como Hawking, isso seria completamente impossível.
Ilya Khel
