Em busca da Teoria do Tudo – Parte III

Na última parte estudamos a Mecânica Quântica. Porém, ao longo dos anos, os físicos acharam algumas contradições com essa Teoria. Veremos agora algumas “correções” para essas contradições.

A TEORIA QUÂNTICA E O CAMPO DE MAXWELL

Ao tentar estender a Mecânica Quântica ao campo de Maxwell(Conjunto de leis eletromagnéticas), acharam alguns problemas. Vamos analisar isso. O campo de Maxwell pode ser descrito como constituído por ondas de diferentes comprimentos, nas quais o campo oscilará de um valor para outro. Porém, segundo a teoria Quântica, seria impossível esse campo estar em repouso, pois violaria o Princípio da Incerteza. Então o campo deveria estar em uma posição e velocidade incerta, e esses princípios também valem para as ondas desse campo, que mesmo no estado fundamental também não poderiam ter sua posição  e velocidade exatamente medida. Cálculos dessas flutuações no Campo de Maxwell tornavam a massa e carga dos elétrons infinitas, criando uma contradição. Foram elaboradas várias “correções” para isso, incluindo até uma Constante Cosmológica Quântica! As Teorias que mais se destacaram após esse momento foram a Super Gravidade com 11 dimensões e a Teoria das Supercordas, que veremos a seguir.

A SUPERSIMETRIA E A SUPERGRAVIDADE

A Supersimetria pode ser descrita com um modelo matemático que acrescenta mais dimensões ao espaço-tempo além das em que vivemos. Essas dimensões extra são chamadas de Dimensões de Grassman, porque são medidas com os números de Grassman, números em que a ordem dos fatores altera o produto em uma multiplicação. Essa Supersimetria é um mecanismo físico natural para cancelamento de infinitos, e é a base da Super Gravidade com 11 dimensões. A SupeSimetria, porém, possui uma consequência: cada partícula precisa de um SuperParceiro com spin metade maior ou menor do que o seu. O spin de uma partícula é simplesmente a sua aparência em diferentes direções. Por exemplo, a partícula abaixo com spin 1 deve ser rodada 360 graus para voltar a ter a aparência inicial, e a outra com spin 2 deve ser rodada 180 graus para voltar e ter a aparência original. Existem também partículas com spin 1/2, que devem ser rodadas 720 graus para voltar a ter a aparência original.

Portanto, como a Supersimetria é a base da Super Gravidade era de se esperar encontrarmos algum tipo de partículas ocm Super Parceiros. Segundo a Teoria da Super Gravidade tudo que vemos é formado por férmions ou bósons. Férmions possuem spins semi-inteiros(1/2) e constituem a matéria, e bósons spins inteiros(1, 2…) e constituem forças entre os férmions, como a gravidade. Férmions são negativos basicamente e bósons positivos. Todo férmion ou bóson possui um Super Parceiro com spin metade maior ou menor do que o seu próprio. Essa teoria cancelariam os infinitos apresentados no Campo de Maxwell porque os férmions que são negativos cancelariam as forças positivas dos bósons, eliminando infinitos.

A TEORIA DAS CORDAS

Segundo a Teoria das Cordas, não são partículas que formam tudo o que existe, mas sim Cordas! Essas cordas vibrariam e suas diferentes vibrações seriam interpretadas como partículas, e se as cordas possuíssem dimensões de Grassman, poderiam vibrar de um modo que as vibrações fossem interpretadas como bósons e férmions, o que deixaria a Teoria livre dos infinitos. Mas de repente, físicos constataram que haviam cinco diferentes Teorias das Cordas e não era o suficiente para representar a curvatura do espaço-tempo. Os físicos então descobriram que a Teoria das Cordas era apenas uma parte de uma teoria maior. Essa Teoria maior foi intitulada de Teoria M, por ser misteriosa, a mãe de todas as teorias e até mágica e mística! Essa teoria abrangeria as cinco teorias das SuperCordas mais a Super Gravidade com 11 dimensões, porém, muitas das propriedades dessa teoria são desconhecidas. E aqui estamos. Hoje estamos montando o quebra-cabeça da Teoria M, e parece  que dessa vez estamos certos! Abaixo a Teoria-M abrangendo as Teorias das Cordas e Super Gravidade:

CONCLUSÃO

Achar uma Teoria do Tudo é muito difícil. Diversas Teorias foram destruídas ou modificadas por minúsculas contradições, e é extremamente difícil achar uma Teoria que não apresente contradições ou erros. Porém, os físicos nunca deixaram de questionar, o que é o mais importante segundo Einstein, e conseguiram chegar a promissora Teoria-M, e dessa vez devemos achar uma resposta! A informação para estes artigos foi tirada do livro de Stephen Hawking: O Universo numa Casca de Noz.

Em busca da Teoria do Tudo – Parte II

Na primeira parte desse artigo, falei sobre a relatividade, teoria formulada por Albert Einstein. Nessa segunda parte entraremos no estranho mundo da mecânica quântica. A mecânica quântica deixou Einstein horrorizado por causa de seus estranhos princípios.

PRINCÍPIOS DA MECÂNICA QUÂNTICA

O princípio básico da mecânica quântica é que tudo é formado por partículas, que formam átomos. Mas esse princípio evoluiu par algo muito mais bizarro. Quando físicos tentaram medir a posição e velocidade exata dessas partículas, descobriram que era impossível. A consequência disso foi a construção do Princípio da Incerteza, que fez Einstein proferir a famosa frase: Deus não joga dados. O Princípio da Incerteza determinava que quanto mais determinada a posição de uma partícula, menos determinada sua velocidade. Quanto maior fosse o comprimento de onda usado para determinar a posição e velocidade de uma partícula, menos exata sua posição seria e mais exata sua velocidade, e vice-versa.

A MECÂNICA QUÂNTICA E A RELATIVIDADE

A Relatividade, teoria da física clássica, não incorporava a mecânica quântica, e as duas eram incompatíveis. A Relatividade era importante em eventos de grande escala, enquanto a mecânica quântica era importante em eventos subatômicos. Você deve estar se perguntando: “E daí? Podemos usar as duas teorias individualmente! “. Porém, em uma singularidade(um ponto de densidade infinitamente grande e tamanho infinitamente pequeno) como o Big Bang, precisamos de uma teoria quântica que explique a gravidade para entender o início do Universo.

Em Busca da teoria de Tudo – Parte I

Os físicos estão há séculos buscando uma Teoria de Tudo, que explicasse de uma forma elegante o Universo. Antes de entrarmos no estranho mundo da física quântica, vamos falar um pouco sobre a história da física. Isaac Newton foi um dos maiores responsáveis pela construção da física como a conhecemos hoje, integrando a matemática a física e explicando a gravidade, inspirado pela maçã que o perturbou enquanto dormia. Isso abriu caminho para novas e bizarras buscas sobre a Teoria de Tudo, passando por diversas teorias, incluindo a Relatividade de Einstein, a Mecânica Quântica, as Supercordas, a Super Gravidade, e mais recentemente a enigmática Teoria M. Essa busca desafiou os maiores cientistas da história, incluindo Albert Einstein e Stephen Hawking. Teorias e princípios foram derrubados, teorias estudadas como Teorias de Tudo acabaram sendo apenas uma pequena parte de algo maior. Usar apenas um post para explicar todas o deixaria muito extenso, então vou dividir o passeio pelas acrobacias físicas e matemáticas em duas partes. Sem mais conversa vamos lá!

EINSTEIN E A TEORIA DA RELATIVIDADE

No dinal do século XIX, os físicos ainda pensavam em um éter espalhado por todo o Universo, sendo a luz uma onda nesse éter. A luz se moveria com velocidade fixa através do éter, mas se você se movese na mesma direção da luz ela pareceria mais lenta, enquanto pareceria mais rápida se você se movesse na direção oposta. Nenhum experimento conseguiu provar isso, e em 1905 Einstein mostrou que a idéia de éter era supérflua, já que uma pessoa não conseguia detectar se estava ou não se movendo no espaço, declarando que as leis da ciência deveriam ser as mesmas para todos os observadores, medindo a mesma velocidade da luz. Estava formada a base da Teoria da Relatividade. As consequências da adoção dessas idéias foi a necessidade de abandonar a idéia de tempo universal, sendo que cada relógio teria seu próprio tempo, coincidindo se estivessem em repouso mas diferentes se estivessem em movimento, e isso foi confirmado por vários experimentos. Um interessante paradoxo é o paradoxo dos gêmeos, em que um fica na Terra enquanto outro viaja na velocidade da luz. 50 anos depois o gêmeo que estava viajando volta e ainda é jovem, enquanto o que ficou na Terra já é um idoso, porque quanto maior a velocidade em que se move, mais devagar o tempo passa.

A RELATIVIDADE E A BOMBA ATÔMICA

Uma das consequências da Relatividade é a relação entre massa e energia, nada deveria mover-se mais rápido que a luz, e acelerar uma partícula na velocidade da luz consumiria uma quantidade infinita de energia. Segundo a equação E=MC²(Energia = Massa.Velocidade da Luz²) massa e energia são equivalentes, e através dessa equação infelizmente foi possível criar a bomba atômica.

A RELATIVIDADE E A GRAVIDADE

A relatividade explica a gravidade de uma forma surpreendentemente simples e interessante. Segundo a relatividade corpos grandes o bastante curvam o espaço-tempo criando a gravidade. Para entender melhor imagine o Sol. Ele curva o espaço-tempo de uma forma tão drástica que prende planetas a sua órbita, esses que tentam ‘andar’ em linha reta mas não  conseguem devido a curvatura do espaço-tempo. A Terra, por sua vez, deforma o espaço-tempo ao seu redor e prende corpos pequenos o bastante(como a Lua) a sua órbita. A deformação do espaço-tempo por corpos grandes o bastante foi fantasticamente confirmada durante um eclipse solar, quando físicos na África direcionarem uma luz na direção do Sol. Quando chegou bem perto do Sol, a luz se curvou. Mas essas deformações do espaço-tempo contradizia uma das maiores crenças de Einstein, de que o Universo era estático sem começo nem fim. Observações mostravam que haviam galáxias que se afastavam de nós, ou seja, o Universo estava se expandindo, e cálculos estavam tendendo a chegar a um Universo infinitamente denso e quente no início. Ao invés de concordar com essas idéias e tentar chegar a esse ponto, Einstein criou uma Constante Cosmológica, popularmente conhecida como seu maior erro. Essa constante deformaria o espaço-tempo no sentido oposto. Outros físicos terminaram seus cáclculos, que resultaram no Big Bang, uma singularidade, ou seja, região com densidade infinita e infinitamente pequeno.

CONCLUSÕES

A relatividade é uma teoria clássica e elegante para Tudo, mas foram descobertos algunmas inconsistências ou erros nela, como veremos na próxima parte.

Fonte: O Universo numa Casca de Noz de Stephen Hawking