A Teoria das Supercordas

Quando finalmente decifrada, acredita-se, a Teoria do Todo será simples o suficiente para ser escrita na forma de uma equação facilmente solúvel. A resposta descreverá um universo que será inegavelmente o nosso, com quarks, elétrons e as outras partículas que compõem cadeiras, pássaros e estrelas; com gravidade, forças nucleares e eletromagnetismo para manter tudo junto; até mesmo com o big bang de onde tudo se originou. O maior paradigma da ciência – incluindo a mecânica quântica e a teoria da relatividade geral de Einstein – revelar-se-á extremamente integrado. Os conceitos científicos como os conhecemos hoje serão completamente alterados com o passar dos anos.

Grandes expectativas foram levantadas também há uma década, quando argumentou-se a possibilidade da "teoria das cordas" ser tomada como TOE. Os físicos basearam sua teoria na premissa de que o objeto mais elementar do universo é uma corda inimaginavelmente fina (imagine uma corda de violão, com diâmetro muito menor que o de um fio de cabelo). As variações nas vibrações dessas cordas permitiriam a existência das partículas e forças no universo. Esses segmentos de cordas teriam aproximadamente 10^-33 centímetros de comprimento e vibrariam de muitas formas diferentes. Cada freqüência de vibração teria uma energia fixa e pelas leis da mecânica quântica poderia ser tratada como uma partícula. Mas a teoria das cordas logo esbarrou numa barreira matemática; ela necessitava de cinco teorias não complementares. Pior, as teorias possuíam milhares de soluções, muitas delas não se assemelhando em nada com nosso universo.

Uma nova simetria peculiar, chamada de "dualista", está fazendo com que todas as cordas diferentes se conectem. De fato, esta teoria está refazendo o conceito que até então se tinha de partícula fundamental. Alguns cientistas acreditam que esta teoria não apenas levará à TOE mas também iluminará o universo como o vemos hoje, esclarecendo por completo as lacunas da mecânica quântica; outros criticam a teoria dizendo que sua matemática é tão complexa que excedeu ao conhecimento da maioria dos físicos e matemáticos de hoje.

Ao mesmo tempo, o mundo, de acordo com essa teoria, torna-se cada vez mais bizarro. As cordas mudam rapidamente para buracos negros, e vice-versa; novas dimensões surgem com realidades diferentes; e não apenas cordas mas bolhas e outras membranas ditam os caminhos do universo. A diversidade de links, acreditam os cientistas, levam para uma entidade cada vez mais profunda - presumivelmente a TOE - que explicará tudo.

 
Mais especificamente, a dualidade pode converter componentes elementares em complexos: como uma partícula ou outra entidade é fundamentalmente irredutível ou é feita de outras partículas fundamentais depende do ponto de vista. Ambas as perspectivas produzem os mesmo resultados físicos.

Os primeiros sinais de dualidade apareceram quando os físicos trabalhavam nas teorias do campo quântico, que descrevem partículas como ondas quântico-mecânicas espalhadas no espaço-tempo. Na teoria do campo quântico cromodinâmico (CQD - Quantum Chromodynamics), os quarks são partículas elementares que possuem um tipo de carga semelhante à elétrica, chamada de "cor". A "cor" faz com que um quark atraia outro muito fortemente, juntando-se em duplas e trios para formar partículas maiores como os prótons.

Assim como na teoria convencional não existem partículas com carga magnética, não existiriam partículas com carga magnética de "cor". Mas em 1974 cientistas russos e suíços descreveram um mecanismo pelo qual os campos que compõe os quarks podem ser formados por partículas, tratadas como pequenas esferas, dotadas de carga magnética de "cor". Estas estruturas - que os físicos estudam como esferas seguidas com setas representando vetores - são genericamente chamadas de solitons e tratadas como partículas. Assim, uma teoria dos quarks com cargas de "cor" talvez implique na existência de solitons com cargas magnéticas de "cor", conhecidos como monopólos. Os monopólos podem ser compostos de partículas, derivadas dos campos mais elementares que os próprios quarks.

Em 1977, cientistas trabalhando em Gênova especularam que as teorias de campo envolvendo "cores" talvez fossem dualísticas. Isto é, ao invés dos quarks serem partículas elementares e compostos de monopólos, talvez pudesse se pensar nos monopólos como sendo elementares. Assim, poder-se-ia elaborar uma teoria de interação entre monopólos, argumentando que estes dão origem aos solitons que formam os quarks. Tanto a aproximação dos quarks como a dos monopólos devem produzir os mesmos resultados físicos.

Muitos teóricos são céticos. Mesmo que a dualidade exista, ela pode ser impossível de ser estabelecida: os cálculos matemáticos da QCD são extremamente difíceis, e talvez seja necessário calcular dois estágios para comparação. Na física, é muito raro conseguir calcular algo exato. Em fevereiro de 1994, entretanto, cientistas indianos mostraram predições de dualidade que podiam ser perfeitamente testados - e estavam corretos.

Enquanto isso, F. Seiberg estava desenvolvendo um algoritmo fundamental para o estudo da QCD. Seu trabalho foi baseado na supersimetria. Supersimetria é a idéia de que para cada tipo de partícula constituinte da matéria, deve haver uma partícula relacionada que transmite força, e vice-versa. A simetria ainda não foi encontrada na natureza, mas os teóricos freqüentemente evocam seus poderes.

Seiberg foi capaz de mostrar, usando a supersimetria para explicar a interação entre as partículas, como alguns cálculos impossíveis na QCD podiam ser resolvidos. Ele demonstrou que as várias versões da QCD que incluem a supersimetria são dualísticas.

Houve um imediato benefício. A QCD é difícil de calcular porque os quarks interagem fortemente. Mas os monopólos interagem fracamente, e os cálculos com eles são fáceis. A dualidade pode permitir aos teóricos a lidar com os monopólos - e automaticamente conhecer todas as respostas da QCD. Com esta teoria, foi possível calcular com grande detalhamento porque os quarks livres nunca foram observados na natureza.

Claro, a validade de todo esse trabalho depende do pressuposto de que a supersimetria existe. Ainda, os cientistas acreditam que a dualidade vai continuar a existir mesmo na ausência da supersimetria. Assim, os resultados qualitativos seriam verdadeiros mesmo que os quantitativos dependessem da supersimetria.

A dualidade é, entretanto, muito mais que uma ferramenta de cálculo: é uma nova forma de se olhar para o mundo. Algo para pensar em como os componentes tornam-se fundamentais, e vice-versa. Mesmo que essa teoria não seja capaz de resistir à especulação de que talvez os quarks sejam solitons, a dualidade entre algumas outras partículas realmente elementares que sejam até menores pode daí surgir.
 

No início de sua evolução, o conceito das cordas falhou como teoria unificada devido aos muitos tipos de cordas que foram postulados, bem como à multiplicidade de respostas que forneciam. Essa plenitude teve sua origem em outra peculiaridade da teoria das cordas - ela é consistente apenas se estas cordas habitarem originalmente um espaço-tempo decadimensional. O mundo real, é claro, tem quatro dimensões, três no espaço e uma no tempo. Admite-se que as seis dimensões extra assumem formas espiraladas tão finas que passam indetectadas por objetos grandes como seres humanos - ou mesmo quarks.

Infelizmente para os teóricos das cordas, as seis dimensões extra podem se alternar de muitas maneiras diferentes. Dezenas de milhares é a estimativa oficial. Cada um desses espaços fornece uma solução diferente para a teoria, com sua própria foto do mundo quadridimensional - não exatamente o que se espera de uma TOE.

Um tipo de dualidade chamado de sistema de espelhos encontrado no final dos anos oitenta ajudou a resolver esse problema pela utilização de algumas soluções alternativas. A simetria de espelho revelou que cordas em dois espaços espiralados diferentes produzem as mesmas partículas. Por exemplo, se uma dimensão se tornar muito pequena, uma corda enrolada ao redor dessa dimensão talvez crie as mesmas partículas que uma corda se movendo ao redor de um espaço grande.

O tamanho da dimensão espiralada é muito similar, na teoria das cordas, a outro parâmetro: a força com que as partículas interagem. Como os espaços grandes podem possuir a mesma física dos pequenos, talvez as teorias das cordas com interações fortes possam produzir os mesmos resultados de outras tendo interações fracas.

Essa conjectura relaciona as teorias das cordas do mesmo modo que a dualidade o fez com a teoria do campo. Além disso, as cordas parecem-se com partículas, então a dualidade nessas teorias implica em dualidade na teoria do campo, e vice versa.

A dualidade está emergindo também de um campo completamente diferente: a supergravidade. Essa teoria unificada foi uma tentativa de atar supersimetria à teoria de gravitação de Einstein. Em contraste, a teoria das cordas tentou modificar a teoria das partículas para incluir gravitação.
 

Assim, os buracos negros estão às margens da teoria das cordas daí em diante. Se uma quantidade muito grande de massa se acumular em um único lugar, ela colapsa sob sua própria gravidade para criar um buraco negro. Mas como foi argumentado pela comunidade científica, um buraco negro - que normalmente absorve tudo, inclusive a luz - poderia também emitir partículas, lentamente perdendo massa. Se a massa original for constituída de supercordas, o decaimento pode produzir por final um objeto com zero de diâmetro - um buraco negro "extremo", parecendo, de fato, muito mais com uma partícula. De fato, buracos negros extremos são simples campos de cordas, antes conhecidos como solitons.

O Dr. Strominger, da Universidade da Pensilvânya estava investigando como os buracos negros extremos se comportam quando uma dimensão no espaço-tempo entra numa espiral de diâmetro muito pequeno. Imagine um parafuso infinitamente longo, girando em seu próprio eixo e mantendo as pontas juntas, de maneira semelhante a uma rosquinha. Nesse sentido, as duas dimensões da superfície do parafuso podem se encontrar, criando um espaço muito menor (que continua não possuindo fronteiras). Agora suponha que a rosquinha fique muito fina em um ponto. Com essa imagem pictórica, Strominger descobriu que alguns buracos negros perdiam massa. Ele decidiu incluir estes objetos em seus cálculos, como ondas quântico-mecânicas.

Dois fatos miraculosos ocorreram. Os primeiros cálculos na teoria das supercordas sempre falharam quando o espaço ficava tão fino quanto uma linha, mas a mecânica-quântica dos buracos negros fez com que os matemáticos conseguissem trabalhar de maneira satisfatória mesmo nesse caso extremo. Em termos de física clássica, um elétron é infinitesimal comparado a um próton. Apenas quando se utiliza a mecânica-quântica pode se ver que o elétron descreve uma órbita. Outra conseqüência foi o aparecimento de um grande número de buracos negros sem massa.

Essa fase de transição espelhou uma mudança na rosquinha. Ela abriu na marte mais fina - de maneira tão violenta que os físicos e matemáticos não conseguem determiná-la - e remoldou-se em uma esfera, como uma forma alternativa de colocar uma folha bidimensional em espiral.

Com os espaços internos assim correlacionados, as cordas podem encontrar um deles que seja especial, movimentando-se ao seu redor. Assim como a água congela no Ártico e vaporiza no Sahara, as cordas podem encontrar a melhor configuração para se desenvolver. Encontrar a solução correta torna-se assim um problema dinâmico.

Em algum lugar no universo, deve haver um ponto onde as cordas encontraram um espaço interno diferente. Ao entrar neste ponto, os buracos negros transformariam-se em cordas, e estas em buracos negros. Em nossa vizinhança imediata, esses pontos devem aparecer como universos virtuais, que existem por frações de tempo microscópicas e morrem antes de tornarem-se evidentes.
 

Nem todos os estudiosos estão convencidos de que a Teoria do Todo está à porta. Um grande problema é que talvez nunca exista um experimento prático para as cordas. Ninguém pode ao menos conceber um teste para algo tão diminuto: os equipamentos modernos não podem testar nada menor que 10^-16 cm. Os teóricos esperam que quando o Large Hadron Collider estiver operando em estrelas CERN em 2005, a supersimetria, ao menos, poderá ser evidenciada. Seria a melhor forma da natureza ser camarada - segundo a crença de Einstein de que Deus não é malicioso.

Mas mesmo que a supersimetria seja descoberta, outro problema intrigante permanecerá. No mundo real, as quatro dimensões convencionais do espaço-tempo são curvas; o tipo de supersimetria imperfeita que os teóricos atribuem à natureza, entretanto, faz o espaço-tempo tornar-se espiral e extremamente fino em todas as dimensões, de maneira impossível.

Alguns teóricos invocam a dualidade entre diferentes teorias em diferentes dimensões para solucionar o impasse. Talvez uma possa iniciar com um universo onde apenas três dimensões são inicialmente curvas - sabe-se que uma delas é espiral. Estes espaços possuem propriedades peculiares que permitirão que os problemas com a supersimetria sejam superados. Finalmente, as quatro dimensões podem ser induzidas a expandir, levando a um mundo como o que conhecemos.

A peculiaridade da gravidade também levanta muitas questões diferentes. Einstein descobriu que a gravidade cresce com a curvatura do espaço-tempo. Então, para quantificar a gravidade basta fazê-lo com o espaço e o tempo. Neste caso, talvez não haja significado no espaço e no tempo, e talvez eles emerjam de alguma estrutura aproximada a grandes distâncias.

A teoria das cordas é um caminho longo de onde todas as expectativas se encontram. Por outro lado, A Teoria deverá necessariamente ser capaz de descrever as circunstâncias mais extremas, como a gênese do universo ou o ambiente interno de um buraco negro. Alguns criticam os teóricos das cordas, afirmando que tendem a acreditar cegamente em sua teoria alegando que ela pode lidar com tudo. Na realidade, eles não entendem o colapso gravitacional melhor que qualquer outra pessoa, dizem alguns.

Mas estes teóricos, por demais preocupados com os desafios matemáticos de sua teoria, não se deixam abater por qualquer tipo de crítica, e continuam a afirmar que a Teoria das Cordas, quando finalmente compreendida em seus mínimos detalhes, perderá as "Cordas" e será chamada de "A Teoria".