Superstrings - Cordas Cósmicas

A teoria de cordas descreve as partículas elementares como modos de vibração de cordas uni-dimensionais fechadas (loops), ou mais recentemente, membranas bidimensionais.

Desde os anos 1930, quando foram propostas a teoria da Relatividade Geral e a Mecânica Quântica, ficou claro que as duas teorias não eram compatíveis entre si, já que a gravitação descrita pela teoria da Relatividade Geral é determinística e contínua, propriedades não aceitáveis pela Mecânica Quântica. Portanto desde o início do século XX, busca-se uma nova teoria que unifique estas teorias, formando uma Teoria de Tudo.

Theodor Kaluza

Em 1919, o matemático alemão-polonês Theodor Franz Edward Kaluza (1885-1945) propôs que o Universo poderia ter mais do que 4 dimensões, dando início à popular 5^a dimensão. Em 1926 o matemático sueco Oskar Klein (1894-1977) propôs que o tecido do nosso Universo poderia ter dimensões estendidas e enroladas (dobradas sobre si mesmo).

Adicionando uma dimensão extra à Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein, Kaluza mostrou que as equações extra eram similares às de James Clerk Maxwell (1831-1879), unificando a teoria gravitacional de Einstein com a teoria do eletromagnetismo de Maxwell, mas mais tarde as constantes de acoplamento entre as teorias entraram em conflito com as observações experimentais.

Em 1968 Gabriele Veneziano, atualmente no CERN, descobriu que as funções $\beta$ de Leonhard Euler (1707-1783) descreviam várias propriedades da interação forte.

Em 1970, o japonês Yoichiro Nambu (1921-2015), da Universidade de Chicago,

Yoichiro Nambu

o dinamarquês Holger Bech Nielsen, do Niels Bohr Institute e

Holger Nielsen

Leonard Susskind, da Universidade de Stanford,

Leonard Susskind

propuseram que cordas uni-dimensionais em vibração podiam ser descritas pelas funções $\beta$ de Euler, dando início à teoria de cordas.

John Schwarz

Em 1974, John H. Schwarz (1941-), do Caltech e Joël Scherk (-1980), da Ecole Normale Superior, mostraram que as partículas mensageiras de spin 2 existentes na teoria de cordas tinhas as propriedades do gráviton - o quantum da gravitação, demonstrando que a teoria de cordas descrevia não somente a interação forte, mas também a força gravitacional, sem introduzir infinitos.

A teoria das cordas cósmicas -- superstrings -- na forma atual, foi proposta em 1984 por Michael B. Green, do Queen Mary College, em Londres, e por John H. Schwarz, unificando a teoria de cordas com a supersimetria. Ela leva a um espectro de excitação com um número idêntico de férmions e bósons, e resolvendo o conflito quântico da teoria de cordas, pois mostrava que as anomalias anteriores se cancelavam. Nesta teoria, padrões vibracionais distintos de uma mesma corda fundamental (um loop), com comprimento de Planck (10^-33 cm), dão origem a diferentes massas e diferentes cargas de força. Para que as anomalias sejam canceladas, a teoria requer a existência de 9 dimensões espaciais e uma dimensão temporal, com um total de 10 dimensões. As outras dimensões estão enroladas sobre si mesmo, com distâncias menores que o comprimento de Planck, e portanto não podem ser detectadas.

Cada ponto do espaço tem estas dimensões extras, mas tão enroladas que não podem ser detectadas diretamente. Se as dimensões extras são associadas a espaços compactados -- para cada ponto do espaço-tempo quadri-dimensional -- seu tamanho reduzido é compatível com as observações.

Na teoria atual, as dimensões extras se compactaram 10^-43 segundos após a formação do Universo atual.

Michael James Duff (1949-), da Texas A&M University, Chris M. Hull e Paul K. Townsend, ambos da Universidade de Cambridge, calculam que a teoria precisa de 11 dimensões, e não somente 10. Se uma das dimensões enroladas é de fato uma outra dimensão temporal, e não somente espacial, uma viagem no tempo pode ser possível.

Shing-Tung Yau

As dimensões extras não estão enroladas de maneira aleatória, mas em formas de Calabi-Yau, de Eugenio Calabi, da Universidade da Pennsylvania, e do chinês Shing-Tung Yau (1949-), da Universidade de Harvard, de acordo com o inglês-americano Philip Candelas (1951-), da Universidade do Texas em Austin, Gary T. Horowitz, da Universidade da Califórnia Santa Barbara, Andrew Strominger, de Harvard, e do americano Edward Witten (1951-), de Princeton.

A grande vantagem da teoria de cordas é que as interação não ocorrem em pontos unidimensionais, mas sim em regiões muito pequenas.

Princípio Holográfico

Enquanto a Teoria da Relatividade Geral de Einstein prevê que a informação se perde dentro de um buraco negro, a Teoria de Cordas prevê que a informação não se perde, pois as cordas são infitas, deixando a informação no horizonte do buraco negro.

O princípio holográfico é uma hipótese baseada em teorias da gravidade quântica, proposta por Gerard 't Hooft (1993, Dimensional Reduction in Quantum Gravity, pp. 10026, arXiv:gr-qc/9310026) e aperfeiçoada e interpretada através da Teoria de Cordas por Leonard Susskind [1995, The World as a Hologram, Journal of Mathematical Physics, 36 (11), 6377], afirmando que toda a informação contida num volume de espaço pode ser representada pela informação que reside na fronteira daquela região, já que a teoria de cordas admite uma descrição em dimensão mais baixa em que a gravidade aparece de uma forma holográfica [Charles Thorn; Raphael Bousso, 2002, The holographic principle, Reviews of Modern Physics, 74 (3), 825].

Este princípio foi inspirado pela determinação por Steve Hawkings de que a máxima entropia de qualquer região é proporcional ao raio ao quadrado (área), e não ao cubo (volume). Desta maneira, a informação sobre os objetos que entram em um buraco negro está contida nas flutuações superficiais do horizonte de evento, resolvendo o paradoxo da informação em um buraco negro, no âmbito da Teoria de Cordas.

Referências: Brian Greene, 1999, The Elegant Universe
Michio Kaku & Jennifer Thompson, 1995, Beyond Einstein
Vídeo de Raphael Bousso na Universidade da Califórnia, Berkeley.

Super String Theory

Volta: Cosmologia
Volta: Astronomia e Astrofísica