Se você continuar quebrando uma maçã em pedaços cada vez menores, acabará chegando às moléculas, depois aos átomos e, em seguida, às minúsculas partículas dentro dos átomos, como prótons, quarks e glúons. Mas, de acordo com a teoria das cordas, a viagem não termina aí. Numa escala cerca de milhares de milhões de vezes menor que um protão, os físicos propõem que tudo pode ser feito de cordas vibrantes incrivelmente minúsculas.
A teoria das cordas surgiu pela primeira vez na década de 1960 como uma forma possível de resolver um dos maiores problemas da física: combinar a mecânica quântica, que governa as menores partículas, com a relatividade geral, a teoria da gravidade de Einstein e a estrutura em grande escala do universo. Os cientistas há muito lutam para conciliar os dois porque as equações muitas vezes espiralam para o infinito matemático quando a gravidade é incluída na escala quântica.
A teoria das cordas oferece uma maneira possível de contornar esse problema. Em teoria, cada partícula, incluindo a hipotética gravidade que transportaria a força gravitacional, provém das várias vibrações de minúsculas cordas. A matemática exige que as cordas tenham pelo menos 10 dimensões, em vez das quatro dimensões da experiência humana.
Um grande obstáculo permanece. Um teste direto da teoria das cordas exigiria tanta energia que os pesquisadores precisariam para colidir uma partícula tão grande quanto 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 técnica promissora é conhecida como método “bootstrap”. Em vez de formular a hipótese de uma teoria detalhada do zero, os cientistas começam com alguns princípios gerais aos quais acreditam que a natureza deve obedecer e depois determinam quais leis surgem naturalmente.
Num novo estudo, intitulado “Strings from Quase Nothing”, aceite para publicação na Physical Review Letters, investigadores do Caltech, da Universidade de Nova Iorque e do Institut de Physica d’Altes Energies de Barcelona utilizaram esta técnica para investigar o comportamento de partículas a energias muito elevadas. Partindo de apenas algumas suposições sobre como as partículas se espalham durante as colisões, eles chegaram inesperadamente às principais características da teoria das cordas.
“As cordas caem”, diz Clifford Cheung, professor de física teórica e diretor do Fórum Leinweber de Física Teórica da Caltech. “Não começamos com nenhuma suposição sobre as cordas, mas a solução continha as assinaturas fundamentais das cordas.”
Embora os resultados não comprovem empiricamente a teoria das cordas, Cheung disse que os resultados são interessantes porque muitos resultados matemáticos diferentes poderiam ter sido possíveis. Em vez disso, os cálculos apontam para apenas uma solução.
A torre infinita de partículas
Uma das propriedades mais importantes que emerge dos cálculos é conhecida como espectro de cordas. No final da década de 1960, o físico teórico italiano Gabriele Veneziano, do CERN, desenvolveu uma função matemática que descrevia uma misteriosa “torre” de partículas vista em experimentos com colisores. As partículas apareceram em uma sequência na qual a massa e o spin aumentaram em etapas ordenadas.
“Na época de Veneziano, os colisores de partículas viam esse spray de detritos saindo da colisão, partículas de massas diferentes. Foi fascinante e ninguém tinha ideia do que estava acontecendo. Veneziano escreveu uma função que descrevia todas as massas, revelando uma torre infinita de partículas”, disse Cheung.
Mais tarde, os pesquisadores perceberam que esse padrão lembrava a melodia de uma corda vibrante. Quando uma corda de violino é tocada, ela produz um tom maior com uma série de tons harmônicos. A teoria das cordas propõe que as partículas se originam de padrões vibracionais semelhantes.
Em 1974, o físico do Caltech John Schwarz e o físico francês Joël Sherk reconheceram que a teoria das cordas também poderia incluir a gravidade. Esta descoberta criou uma das primeiras ligações significativas entre a teoria das cordas e a relatividade geral.
“Como todos os físicos de partículas daquela época, não tínhamos nenhum interesse anterior na gravidade. Ao contrário da teoria da relatividade geral de Einstein, as teorias das cordas comportam-se bem em energias muito altas, que sobrevivem como uma aproximação de baixa energia. Assim, embora muito ainda não tenha sido compreendido, fomos capazes de fornecer algumas versões muito interessantes que foram muito emocionantes. Tudo”, diz Schwarz.
De acordo com a teoria das cordas, diferentes modos vibracionais produzem partículas diferentes. Um fóton, por exemplo, vem de uma corda aberta vibrando em seu modo mais simples, enquanto se pensa que o gráviton se origina de uma corda vibratória fechada.
Por que a gravidade quântica falha?
A nova pesquisa concentra-se na amplitude de espalhamento, a expressão matemática que descreve os resultados das colisões de partículas. Quando os cientistas usam a relatividade geral para calcular colisões em energias extremamente altas perto da escala de Planck, a matemática deixa de funcionar corretamente e cria o infinito.
“Se você pegar a relatividade geral e espalhar em energias muito altas na chamada escala de Planck – cerca de 19 ordens de magnitude maior que a massa de um próton – você obterá um resultado que não faz sentido. Tudo se desmorona completamente”, disse Cheung.
A teoria das cordas evita esses infinitos através de uma propriedade chamada ultrasuavidade. Em energias muito altas, as cordas difundem efetivamente a interação, evitando o comportamento violento que normalmente faria com que as equações falhassem.
“Dentro da estrutura da teoria das cordas, à medida que aumenta a transferência de energia entre as partículas, você vê um rápido declínio na probabilidade de dispersão das partículas. É como se as partículas não quisessem se espalhar, mas sim mover-se livremente, “Cheung disse. “A amplitude do espalhamento não vai ao infinito. É bem comportada.”
Os pesquisadores usaram esse comportamento ultrasoft como uma de suas hipóteses principais. Eles também incluíram outra condição chamada “mínimo zero”, que limita o número de pontos em que as probabilidades de dispersão desaparecem.
“Notavelmente, a compatibilidade requer que a amplitude de espalhamento não apenas interaja, mas também não interaja em pontos cinemáticos especiais chamados ‘zeros’.
Usando apenas estas suposições, a equipe mostrou que a matemática resultante reproduzia naturalmente as propriedades definidoras da teoria das cordas, incluindo os famosos espectros de massas e spins de partículas.
Coautor Grant N., James Arthur Postdoctoral Fellow na New York University. “Os detalhes precisos da teoria das cordas surgiram automaticamente, incluindo a torre infinita de partículas gigantes giratórias que formam os ‘harmônicos’ da corda pelos quais a teoria é famosa”, diz Raymen (PhD ’17).
Revivendo uma ideia antiga com ferramentas modernas
Cheung compara o método Bootstrap à resolução de um quebra-cabeça Sudoku. Algumas regras gerais são fornecidas no início e essas regras eventualmente levam você a uma solução única.
“A profunda ironia é que essa ideia bootstrap que estamos seguindo agora com ferramentas e ideias modernas é super retrô. É uma ideia antiga”, explica Cheung. “A descoberta original do espectro Veneziano e o trabalho de John Schwarz adotaram uma abordagem semelhante. Eles não começaram com modelos da teoria das cordas, mas sim as soluções surgiram de princípios fundamentais.”
O estudo baseia-se em trabalhos anteriores do físico Steven Fratsky da Caltech e do físico Geoffrey Chew da UC Berkeley, que foi o pioneiro do método bootstrap em física de partículas na década de 1960. Seu trabalho fornece algumas das primeiras indicações de espectros infinitos de partículas ligados à teoria das cordas.
“O conceito de bootstrap era obsoleto, mas agora pessoas como Cliff estão revivendo-o e modernizando-o”, disse Hiroshi Oguri, professor Fred Kavli de Física Teórica e Matemática na Caltech e presidente de liderança Kent e Joyce Cressa no Departamento de Física, Matemática e Astronomia. “Agora temos uma melhor compreensão das suposições fundamentais que podemos fazer, bem como técnicas mais poderosas para traduzir essas suposições em amplitudes de dispersão e outras propriedades observáveis.”
A pesquisa “Strings from Quase Nothing” recebeu financiamento do Departamento de Energia dos EUA, do Instituto Walter Burke de Física Teórica, do Fórum Leinweber de Física Teórica, de uma bolsa de pós-doutorado James Arthur na Universidade de Nova York e da Next Generation EU. Autores adicionais incluem Francesco Sciotti do Institut de Physica d’Altes Energie em Barcelona e o estudante de pós-graduação da Caltech Michel Tarquini.
