O que é a teoria das cordas? Visão geral simples
A teoria das cordas diz que as partículas subatômicas indivisíveis são compostas de pequenas cordas que vibram em um padrão específico. Cada padrão vibracional corresponde a diferentes partículas. Um elétron nada mais é que uma corda vibrando em um padrão, enquanto um próton é uma corda vibrando em um padrão diferente. Este é apenas um conceito matemático, não há evidências experimentais para a teoria das cordas.
Existem quatro forças fundamentais na natureza: gravidade , eletromagnetismo e as forças nucleares fraca e forte. Um dos principais objetivos dos físicos é desenvolver uma teoria que possa descrever todas essas forças.
Ao longo das últimas 6 décadas, tentando combinar todas as forças, os físicos teóricos apresentaram muitas ideias interessantes e novas teorias. Uma das mais promissoras dessas teorias é a teoria das cordas.
A teoria das cordas tornou-se agora o conceito mais controverso da física, com o objetivo de unificar os dois pilares da física do século 20: a teoria da relatividade de Einstein e a mecânica quântica. Simplificando, é uma estrutura abrangente que pode explicar toda a realidade física (se comprovada).
Ideia básica da teoria das cordas
Escolha algo ao seu redor. Digamos que você pegou uma maçã da mesa. Do que é feita uma maçã? Bem, para responder a esta pergunta, você precisa olhar para ela.
Se você continuar aumentando, mais cedo ou mais tarde você começará a ver moléculas. Mas isso não é o fim da história, se você ampliá-los ainda mais e torná-los grandes o suficiente, você começará a ver átomos.
Os átomos não são o fim da história, porque se você aumentar o zoom, verá elétrons e núcleos. O próprio núcleo é formado por prótons e nêutrons. Se você pegar uma dessas partículas (digamos um nêutron) e ampliá-la, você encontrará ainda mais partículas minúsculas dentro, chamadas quarks.
Agora é aí que a ideia tradicional termina e a teoria das cordas entra em cena, sugerindo que há algo mais dentro dessas minúsculas partículas.
A ideia usual é que não há nada dentro dos quarks, mas a teoria das cordas diz que você encontrará um pequeno fio semelhante a uma corda. Eles são como uma corda de violino: quando você toca uma corda, ela vibra e cria uma pequena nota musical.
ilustração de cordas
No entanto, cordas minúsculas na teoria das cordas não produzem notas musicais. Em vez disso, quando vibram, eles próprios produzem partículas. Cada tipo de vibração corresponde a diferentes partículas.
Portanto, um quark nada mais é do que uma corda vibrando em um padrão, e um elétron nada mais é do que uma corda vibrando em um padrão diferente. Então, se você juntar todas essas partículas, a maçã nada mais é do que um monte de vibrações nas cordas.
Se a teoria das cordas estiver correta (ainda não foi comprovada), todas as coisas no universo nada mais são do que uma sinfonia cósmica de cordas dançante e vibrante.
5 Elementos Essenciais da Teoria das Cordas
1. Dimensão extra
No momento, a teoria das cordas é uma ideia simples. Não há evidência experimental direta de que esta seja uma descrição correta da natureza.
A teoria das cordas exige que aceitemos a existência de uma dimensão extra no universo. Atualmente vivemos em três dimensões espaciais, mas a teoria das cordas requer mais de seis dimensões superiores, além das quatro dimensões gerais (3D + tempo) para fazer sentido.
2. Supersimetria
Existem duas classes principais de partículas elementares no Universo: bósons e férmions. A teoria das cordas prevê que existe uma relação entre essas duas partículas, chamada supersimetria, onde deve haver um bóson para cada férmion e vice-versa.
O princípio da supersimetria foi descoberto fora da teoria das cordas. No entanto, sua inclusão na teoria das cordas permite que um determinado termo nas equações seja riscado e dado significado. Sem esse princípio, as equações da teoria das cordas levam a inconsistências físicas, como níveis de energia imaginários e valores infinitos.
Em outras palavras, combinar a ideia de supersimetria com a teoria das cordas dá uma teoria melhor, a teoria das supercordas.
Os físicos esperam que experimentos com aceleradores de partículas e observações astronômicas revelem várias partículas supersimétricas, que fornecerão suporte para os fundamentos teóricos da teoria das cordas.
3. Unir forças
A física moderna tem duas leis completamente diferentes: a relatividade geral e a mecânica quântica . A relatividade estuda objetos grandes na escala de planetas, galáxias e do universo, enquanto a mecânica quântica tende a estudar objetos minúsculos na natureza nas menores escalas dos níveis de energia dos átomos e partículas subatômicas.
Não está totalmente claro como a gravidade afeta as partículas menores. As teorias que procuram descrever a gravidade de acordo com os princípios da mecânica quântica são chamadas de teorias da gravidade quântica, e uma das mais promissoras de todas essas teorias é a teoria das cordas.
4. Cordas abertas e fechadas
5 Interações Fundamentais de String Tipo I
As cordas na teoria das cordas têm duas formas: cordas abertas e cordas fechadas. Duas cordas abertas podem ser conectadas em ambas as extremidades para formar uma corda fechada. Ou várias cordas abertas podem juntar uma extremidade para formar uma nova corda aberta.
Tais strings, conhecidas como strings Tipo I, podem passar por 5 tipos básicos de interações. Essas interações dependem da capacidade da corda de conectar e separar as pontas das pontas.
Os cientistas acreditam que as cordas fechadas têm atributos especiais que podem descrever a gravidade na mecânica quântica.
Acredita-se que a escala de comprimento característica das cordas seja da ordem de 10-35 metros, ou o comprimento de Planck. Esta é a escala em que os efeitos da gravidade quântica se tornam significativos.
5. Teoria M
Conexão entre teoria M, teorias de supercordas e supergravidade 11D | Wikimedia
Com o tempo, os cientistas chegaram a cinco versões diferentes da teoria das supercordas: Tipo I, Tipo IIA, Tipo IIIB e duas versões da teoria das cordas heteróticas.
No entanto, em 1995, o físico teórico americano Edward Witten combinou todas as cinco teorias em uma teoria de 11 dimensões chamada teoria M. Isso pode fornecer uma base para a construção de uma teoria unificada de todas as forças fundamentais do universo.
Quem descobriu a teoria das cordas?
A teoria das cordas é tirada da teoria da matriz S, um programa de pesquisa iniciado por Werner Heisenberg em 1943. O objetivo deste programa era substituir a teoria do campo quântico local como o principal princípio da física de partículas.
Os aceleradores de partículas das décadas de 1950 e 1960 produziam hádrons em abundância. Os físicos criaram muitos modelos diferentes para descrever a estrutura dos spins e massas dessas partículas que interagem fortemente (compostas de quarks).
O físico teórico italiano Gabriele Veneziano desempenhou um papel importante no desenvolvimento desses primeiros modelos. Ele formulou os fundamentos da teoria das cordas em 1968, quando descobriu que pequenas cordas podiam descrever as interações dos hádrons.
Ele também publicou um artigo em 1991 descrevendo como um modelo cosmológico inflacionário pode ser derivado da teoria das cordas.
Hoje, graças aos esforços colaborativos de muitos pesquisadores, a teoria das cordas evoluiu para um tópico amplo e variado relacionado à matemática pura, cosmologia, física da matéria condensada e gravidade quântica.
A teoria das cordas é a teoria de tudo?
Bem, a resposta rápida é não.
A Teoria de Tudo é o fundamento hipotético da física que descreve e une completamente todos os aspectos físicos do universo. Encontrar tal teoria é o sonho supremo dos físicos teóricos.
Para atingir esse objetivo, a teoria das cordas tornou-se uma candidata promissora a uma Teoria de Tudo. Até agora, ele explicou com sucesso muitos fenômenos complexos, incluindo buracos negros, que exigem tanto a mecânica quântica quanto a relatividade geral para estudá-los.
De acordo com a teoria das cordas, todas as quatro forças fundamentais já foram uma única força fundamental no início do universo - 10 a 43 segundos após o Big Bang.
Multiverso?
Também deu novas ideias sobre o plasma quark-gluon e produziu muitos resultados, alguns dos quais podem parecer incompreensíveis ou absurdos. Por exemplo, a teoria das cordas permite cerca de 10.500 universos, ou um vasto multiverso. Esta é uma das razões pelas quais ela enfrentou vários contratempos no passado.
Por que a teoria das cordas é importante?
Embora a teoria das cordas ainda não tenha produzido previsões experimentais testáveis, a matemática na teoria das cordas funcionou. E é por isso que é extremamente útil.
Nas últimas décadas, a teoria das cordas ofereceu várias soluções válidas e convincentes:
- Inspirou todo o campo da pesquisa de supersimetria.
- Nos ajudou a entender a entropia de um buraco negro.
- Inspirou novas abordagens para a computação tradicional na teoria quântica de campos.
Os pesquisadores também estabeleceram uma ligação entre a teoria quântica de campos e as estruturas da teoria das cordas, que é chamada de correspondência AdS/CFT.
Então, talvez a história da teoria das cordas não seja uma teoria de tudo, mas certamente não é um corpo separado de pesquisa sendo feito em algum canto obscuro da ciência. Em vez disso, ele pode nos apontar na direção certa e nos ajudar a descobrir novos aspectos do mundo quântico e algumas belas matemáticas.
Ainda não sabemos qual é a verdadeira natureza da realidade, mas continuaremos cavando até sabermos.
Postar um comentário em "O que é a teoria das cordas? Visão geral simples"
Postar um comentário