Teoria das supercordas: sucessos e problemas em aberto

Em evento de divulgação científica do ICTP-SAIFR, teoria foi desmistificada para o público

Nathan Berkovits (em pé, à esquerda) durante sua apresentação

No dia 14 de setembro, quinta-feira, o Tubaína Bar (Rua Haddock Lobo, 74, Cerqueira César, São Paulo) recebeu mais uma edição do Papos de Física, evento de divulgação científica organizado pelo ICTP-SAIFR (Instituto Sul Americano para a Pesquisa Fundamental). O palestrante da vez foi Nathan Berkovits, professor titular do Instituto de Física Teórica (IFT) da Unesp e diretor do ICTP-SAIFR, que apresentou ao público presente a fascinante teoria das supercordas. Considerada por parte da comunidade científica como a “teoria de tudo” por tentar unificar a relatividade geral e a mecânica quântica, a teoria das supercordas é vista como um modelo promissor por grande parte dos físicos exatamente por propor soluções na fronteira entre as duas principais teorias da física do século XX.

Física Quântica e Relatividade Geral

A física quântica e a relatividade geral são duas teorias que funcionam muito bem em seus respectivos contextos, mas se mostram incompatíveis quando, em conjunto, tentam explicar fenômenos descritos pela outra. Antes de entrarmos em uma das propostas para resolução dessa incompatibilidade, vejamos como ambas teorias foram abordadas pelo Prof. Berkovits.

A física quântica se ocupa dos objetos muito pequenos e suas interações (átomos, prótons, neutrons, etc) e dá conta de fenômenos que não podem ser explicados pela física clássica. Seu desenvolvimento, associado ao estudo das radiações nucleares e das colisões entre partículas, levou à  descoberta de inúmeras partículas fundamentais, entre elas os quarks (partículas que formam protons e neutrons), os gluons (partículas “cola”, responsáveis pela força entre quarks), e os bósons vetoriais (partículas que causam a radiação nuclear). A teoria também relaciona as interações entre partículas às forças conhecidas: eletromagnética (via fotons), fraca (via bósons vetóriais) e forte (via gluons). Na física quântica, conforme explica o palestrante, “as forças são sentidas por causa da troca de partículas”.

Já a Relatividade Geral, desenvolvida por Einstein para compreender melhor a gravitação, se ocupa da interação de objetos grandes, como, por exemplo, um planeta orbitando uma estrela. Segundo ela, a força gravitacional é causada pela curvatura no espaço-tempo por um objeto com massa. Quanto mais próximo do objeto, maior a força gravitacional que, por exemplo, uma estrela exerce sobre um planeta. Apesar de ser uma teoria consistente com dados experimentais, ela não consegue ser aplicada a distâncias muito pequenas, onde as leis da física quântica passam a fazer efeito, levando a resultados infinitos.

Assim, usando conceitos da Relatividade Geral, a interação gravitacional não pode ser explicada nos mesmos moldes das outras três forças. Qualquer construção de uma teoria de campo da gravidade leva a resultados infinitos que não podem ser eliminados usando técnicas de renormalização, que funcionam bem para as outras três forças mas, para essa, levam a soluções infinitas e, portanto, sem sentido.

Entra, então, a teoria das supercordas, que tenta unir as duas teorias propondo um novo conceito. Segundo ela, as partículas fundamentais não seriam pontuais, como geralmente nos é ensinado no ensino médio, com bolinhas representando elétrons, prótons e nêutrons, mas são, sim, ressonâncias de cordas unidimensionais, como um elástico ou uma corda de violão vibrando. Teorizadas como tendo tamanhos de 10^-33cm, podem ser abertas ou fechadas e possuem frequências de vibração diferentes, o que determina as partículas que serão criadas.

“Mas do que é feita uma supercorda?”, se perguntou a plateia durante a apresentação. “São feitas de supercorda!”, respondeu o Prof. Berkovits. O super no nome refere-se à inclusão do conceito de supersimetria à teoria original das cordas. Segundo a supersimetria, para cada partícula que constitui a matéria (férmion) existe outra que é um bóson. Assim, as supercordas seriam responsáveis pela criação, ao mesmo tempo, de um quark (férmion) e de um s-quark (bóson), ou de um elétron (férmion) e um s-elétron (bóson), por exemplo.

Multidimensões

Um dos aspectos do nosso universo é que ele aparece ser formado por três dimensões de espaço e uma dimensão de tempo. As supercordas, porém, podem existir apenas num universo com nove dimensões de espaço e uma de tempo. Existe a possibilidade destas seis dimensões extras serem tão pequenas que não as detectamos. Esse modelo é conhecido como compatificação. Infelizmente, experimentos de alta energia, como no acelerador de Genebra, ainda estão testando essa possibilidade, mas não comprovaram-nas.

Teoria de tudo         

O Prof. Berkovits explicou, antes de abrir a sessão de perguntas, que, com a teoria das supercordas, pretende-se unificar todas as forças fundamentais da natureza em uma única teoria que refuta a ideia de uma partícula fundamental idealizada como um ponto material, inadequado para formular a quantização da relatividade geral, e transformando-as em vibrações de supercordas. A natureza das cordas unifica a relatividade geral e a mecânica quântica, pois as partículas deixam de ser objetos pontuais e suas interações, mais suaves. Assim, as forças sentidas por essas interações e trocas de partículas poderiam ser explicadas tanto no campo da física quântica quanto da relatividade geral, além de prever novas partículas.

Mas ainda existem problemas em aberto na aplicação dessa teoria, pois, como mencionou Berkovits, a compactificação não é suficientemente compreendida para que as ressonâncias e interações das supercordas consigam descrever todas as partículas e forças da natureza. A esperança, porém, está na análise de dados cosmológicos, como a recente observação das ondas gravitacionais, e experimentos no LHC em Genebra, que podem identificar partículas supersimétricas ou, até mesmo, partículas novas que o modelo padrão não prevê.

A próxima edição do Papos de Física acontece no dia 5 de outubro, no mesmo local, e trará Alexandre Rocha, pesquisador do Instituto de Física Teórica da Unesp com a palestra “Grafeno: Como um material que não deveria existir levou ao prêmio Nobel?”. O evento é gratuito e não é necessário fazer inscrição. Para mais informções, acesse: http://www.ictp-saifr.org/papos/