Se você continuar quebrando uma maçã em pedaços cada vez menores, acabará chegando às moléculas, depois aos átomos e, finalmente, às minúsculas partículas dentro dos átomos, como prótons, quarks e glúons. Mas, de acordo com a teoria das cordas, a jornada não para por aí. Os físicos acreditam que, em escalas cerca de um bilhão de bilhões de vezes menores que os prótons, tudo pode ser feito de cordas vibratórias extremamente minúsculas.
A teoria das cordas surgiu pela primeira vez na década de 1960 como uma possível solução para um dos maiores problemas da física: combinar a mecânica quântica, que governa as menores partículas, com a relatividade geral, a teoria de Einstein que descreve a gravidade e a estrutura em grande escala do universo. Os cientistas há muito que lutam para combinar os dois porque as equações tendem a colapsar em infinitos matemáticos quando a gravidade é incorporada na escala quântica.
A teoria das cordas oferece uma solução potencial para este problema. Em teoria, cada partícula, incluindo o hipotético gráviton que carrega a gravidade, surge de uma vibração diferente da corda fina. A matemática também exige que as cordas existam em pelo menos 10 dimensões, em vez das quatro dimensões da experiência humana.
Um grande obstáculo permanece. Testar diretamente a teoria das cordas exigiria tanta energia que os pesquisadores precisariam de um colisor de partículas do tamanho de uma galáxia.
Física Bootstrap e Teoria das Cordas
Como os experimentos diretos são impossíveis com a tecnologia atual, os físicos estão explorando outros métodos. Uma estratégia promissora é chamada de abordagem de “bootstrapping”. Em vez de postularem uma teoria detalhada desde o início, os cientistas começam com alguns princípios gerais aos quais acreditam que a natureza deve aderir e depois identificam as leis pelas quais a natureza emerge.
Num novo estudo intitulado “Strings from Quase Nothing”, que foi aceite para publicação na revista Physical Review Letters, investigadores da Caltech, da Universidade de Nova Iorque e do Instituto de Investigação Energética de Barcelona utilizaram esta estratégia para estudar o comportamento das partículas a energias extremamente elevadas. Partindo de algumas suposições sobre como as partículas se espalham durante as colisões, eles chegaram inesperadamente às características centrais da teoria das cordas.
“A corda simplesmente caiu”, disse Clifford Cheung, professor de física teórica na Caltech e diretor do Reinweber Forum for Theoretical Physics. “Começamos sem fazer nenhuma suposição sobre a corda, mas a solução continha a assinatura fundamental da corda.”
Embora essas descobertas não comprovem experimentalmente a teoria das cordas, Zhang disse que os resultados são surpreendentes porque muitos resultados matemáticos diferentes são possíveis. Em vez disso, os cálculos apontam para apenas uma solução.
torre de partículas infinita
Uma das características mais importantes que emerge dos cálculos é chamada de espectro de acordes. No final da década de 1960, o físico teórico italiano Gabriele Veneziano, do CERN, desenvolveu uma função matemática que descrevia as misteriosas “torres” de partículas vistas em experimentos com colisores. As partículas aparecem em ordem crescente de massa e spin.
“Na época de Veneziano, os colisores de partículas viam lixo ejetado das colisões, partículas de massas diferentes. Foi interessante, ninguém sabia o que estava acontecendo. Veneziano escreveu uma função para descrever todas as massas, revelando uma torre infinita de partículas”, disse Zhang.
Mais tarde, os pesquisadores perceberam que esse padrão lembrava os harmônicos de uma corda vibrante. Quando uma corda de violino é tocada, ela produz um tom tônico e uma série de tons harmônicos. A teoria das cordas afirma que as partículas são criadas a partir de padrões vibracionais semelhantes.
Em 1974, o físico do Caltech John Schwarz e o físico francês Joël Scherk perceberam que a teoria das cordas também poderia incluir a gravidade. A descoberta estabeleceu a primeira conexão significativa entre a teoria das cordas e a relatividade geral.
“Como todos os físicos de partículas daquela época, não tínhamos nenhum interesse anterior na gravidade. A teoria das cordas teve um bom desempenho em energias muito altas, ao contrário da teoria geral da relatividade de Einstein, que existia como uma aproximação de baixa energia. Portanto, embora ainda haja muito que não é compreendido, estamos muito entusiasmados com o facto de alguma versão da teoria das cordas poder fornecer uma teoria quântica unificada de tudo”, disse Schwartz.
De acordo com a teoria das cordas, diferentes modos de vibração produzem partículas diferentes. Por exemplo, os fótons vêm de cordas abertas que vibram em seus modos mais simples, enquanto os grávitons são produzidos por cordas vibratórias fechadas.
Por que a gravidade quântica falha
O novo estudo concentra-se na amplitude de espalhamento, uma expressão matemática que descreve os resultados das colisões de partículas. Quando os cientistas usam a relatividade geral para calcular colisões de energia extremamente alta perto da escala de Planck, a matemática deixa de funcionar corretamente e cria infinitos.
“Se você pegar a relatividade geral e espalhar em energias muito altas na chamada escala de Planck – cerca de 19 ordens de grandeza maior que a massa de um próton – você obterá um resultado que não faz sentido. Tudo desmorona completamente”, disse Cheung.
A teoria das cordas evita esses infinitos por meio de uma propriedade chamada supersuavidade. Em energias extremamente altas, as cordas dispersam efetivamente as interações, evitando a violência que geralmente faz com que as equações falhem.
“Na estrutura da teoria das cordas, quando você aumenta a transferência de energia entre as partículas, você vê a probabilidade de dispersão das partículas diminuir rapidamente. É como se as partículas nem quisessem se espalhar umas das outras, mas apenas passar livremente”, disse Zhang. “A amplitude de espalhamento não vai ao infinito. Ela se comporta melhor.”
Os pesquisadores usaram esse comportamento ultrasoft como uma de suas hipóteses iniciais. Eles também incluíram outra condição chamada “ponto zero mínimo”, que limita o número de pontos nos quais a probabilidade de dispersão desaparece.
“Notavelmente, a consistência requer que as amplitudes de dispersão não apenas interajam, mas também não interajam em um ponto especial de movimento chamado ‘zero’. A suposição de ‘zero mínimo’ exige que a equação permita matematicamente o número mínimo de tais pontos de fuga”, disse Zhang.
Usando apenas estas suposições, a equipe mostrou que a matemática resultante reproduz naturalmente as características definidoras da teoria das cordas, incluindo a sua famosa massa de partículas e espectro de spin.
“Os detalhes precisos da teoria das cordas emergem automaticamente, incluindo torres infinitas compostas por um grande número de partículas rotativas que formam os famosos ‘harmônicos’ das cordas da teoria”, disse o co-autor Grant N. Remmen (PhD ’17), James Arthur Postdoctoral Fellow na Universidade de Nova York.
Reviva ideias antigas com ferramentas modernas
Cheung comparou a abordagem guiada para resolver um quebra-cabeça de Sudoku. Algumas regras simples são fornecidas no início e levarão você a uma solução única.
“A profunda ironia é que essa ideia de orientação que estamos perseguindo agora com ferramentas e ideias modernas é super retrô. É uma ideia antiga”, explica Zhang. “A descoberta original do espectro Veneziano e o trabalho de John Schwartz adotaram uma abordagem semelhante. Em vez de começar com modelos da teoria das cordas, eles elaboraram soluções a partir dos primeiros princípios.”
A pesquisa também se baseia em trabalhos anteriores do físico Steven Frautschi, da Caltech, e do físico Geoffrey Chew, da UC Berkeley, que foram os pioneiros no método de orientação da física de partículas na década de 1960. Seu trabalho forneceu algumas das primeiras pistas sobre o espectro infinito de partículas mais tarde associadas à teoria das cordas.
“A ideia de um bootstrap está desatualizada, mas agora pessoas como Cliff estão revivendo-a e modernizando-a”, disse Hirosi Ooguri, professor Fred Kavli de física teórica e matemática e presidente de liderança Kent e Joyce Kresa no Departamento de Física, Matemática e Astronomia da Caltech. “Agora temos uma melhor compreensão das suposições básicas que podem ser feitas e das técnicas para traduzir essas suposições em amplitudes de dispersão e outras propriedades mensuráveis.”
Esta pesquisa “praticamente nada” foi financiada pelo Departamento de Energia dos EUA, pelo Instituto Walter Burke de Física Teórica, pelo Fórum Reinweber de Física Teórica, por uma bolsa de pós-doutorado James Arthur na Universidade de Nova York e pela União Europeia de Próxima Geração. Outros autores incluem Francesco Sciotti, do Institut de Fisica d’Altes Energies, em Barcelona, e Michele Tarquini, estudante de pós-graduação da Caltech.
