Leonard Sasskind, um famoso físico americano e um dos criadores da teoria das cordas, propôs um conceito revolucionário de compreensão do universo e o lugar do homem nele. Através de sua pesquisa, Susskind inspirou uma galáxia de físicos modernos que acreditavam que essa teoria poderia prever sem ambiguidade as propriedades do nosso universo. Agora, em seu primeiro livro para uma ampla gama de leitores, Susskind refina e repensa seus pontos de vista, argumentando que essa idéia não é de modo algum universal e terá que dar lugar a um conceito muito mais amplo de uma gigantesca “paisagem cósmica”.
Pesquisas no início do século 21 permitiram que a ciência subisse a um novo nível no conhecimento do mundo, diz Susskind. E este livro fascinante que leva o leitor às linhas de frente das batalhas na física moderna é uma confirmação vívida disso.
Universo supersimétrico elegante?
Os verdadeiros princípios subjacentes à teoria das cordas estão envoltos em grande mistério. Quase tudo o que sabemos sobre teoria inclui uma parte especial da paisagem em que a matemática é surpreendentemente simplificada graças a uma propriedade chamada supersimetria. As áreas supersimétricas da paisagem formam uma planície perfeitamente plana, localizada a uma altura exatamente igual a zero, com propriedades tão simétricas que muitas coisas podem ser calculadas sem informações sobre toda a paisagem. Se alguém estava procurando simplicidade e elegância, então a planície plana da teoria das cordas supersimétricas, também conhecida como teoria das supercordas, é exatamente o lugar em que eles devem prestar atenção. De fato, há alguns anos atrás esse lugar era o único a que os teóricos das cordas prestavam atenção. Mas alguns físicos já se livraram da obsessão fascinante e estão tentando se livrar das elegantes simplificações do super-mundo. A razão é simples: o mundo real não é supersimétrico.
Um mundo que contém o Modelo Padrão e uma pequena constante cosmológica diferente de zero não pode estar em um plano de altura zero. Encontra-se em algum lugar em uma área irregular da paisagem, com colinas, vales, planaltos e encostas íngremes. Mas há razões para acreditar que nosso vale está próximo da parte supersimétrica da Paisagem e que alguns remanescentes do super milagre matemático podem nos ajudar a entender as características do mundo empírico. Um exemplo que abordaremos nesta seção é a massa do bóson de Higgs. De fato, todas as descobertas que tornaram este livro realidade são as primeiras tentativas tímidas de se afastar de uma planície supersimétrica segura.
A supersimetria nos fala sobre as diferenças e semelhanças entre bósons e férmions. Como muito mais na física moderna, os princípios da supersimetria remontam aos primeiros trabalhos de Einstein. Em 2005, comemoramos o centenário de "anno mirabilis", o ano das maravilhas da física moderna. Einstein começou duas revoluções este ano e completou a terceira. Certamente, este foi o ano da teoria especial da relatividade. Mas poucas pessoas sabem que 1905 foi muito mais que um "ano de relatividade". Ele também marcou o nascimento dos fótons, o começo da moderna mecânica quântica.
Einstein recebeu apenas um Prêmio Nobel de Física, embora eu pense que todos os prêmios Nobel concedidos após 1905 tenham ecos das descobertas de Einstein. Einstein recebeu o Prêmio Nobel não por criar a teoria da relatividade, mas por explicar o efeito fotoelétrico. Foi a teoria do efeito fotoelétrico que foi a contribuição mais radical de Einstein à física, onde ele introduziu o conceito de fótons, quanta de energia, do qual a luz consiste. A física estava pronta para dar origem a uma teoria especial da relatividade, sua criação foi apenas uma questão de tempo, enquanto a teoria dos fótons da luz trovejou como um raio do azul. Einstein mostrou que um raio de luz, geralmente representado como um fenômeno de onda, tem uma estrutura discreta. Se a luz tem uma determinada cor (comprimento de onda), todos os fótons parecem marchar na perna: cada fóton é idêntico a outro. Partículas que podem estar simultaneamente no mesmo estado quântico são chamadas bósons em homenagem ao físico indiano Chatyatranat Bose.
Quase vinte anos depois, ao concluir o prédio estabelecido por Einstein, Louis de Broglie mostrará que os elétrons, sempre percebidos como partículas, se comportam ao mesmo tempo e como ondas. Assim como as ondas, os elétrons são capazes de refletir, refratar, difratar e interferir. Mas há uma diferença fundamental entre elétrons e fótons: diferentemente dos fótons, dois elétrons não podem estar simultaneamente no mesmo estado quântico. O princípio de inibição de Pauli garante que todo elétron em um átomo tenha seu próprio estado quântico e que nenhum outro elétron possa enfiar o nariz em um local já ocupado. Mesmo fora de um átomo, dois elétrons idênticos não podem estar no mesmo lugar ou ter o mesmo momento. Partículas desse tipo são chamadas de férmions com o nome do físico italiano Enrico Fermi, embora, com justiça, devam ser chamadas de Pauli. De todas as partículas do Modelo Padrão, cerca de metade são férmions (elétrons, neutrinos e quarks), e a outra metade são bósons (fótons, bósons Z e W, glúons e o bóson de Higgs).
Fermiões e bósons desempenham papéis diferentes na imagem do mundo. Normalmente imaginamos matéria composta de átomos, isto é, de elétrons e núcleos. Numa primeira aproximação, os núcleos consistem em prótons e nêutrons mantidos juntos por forças nucleares, mas em um nível mais profundo, prótons e nêutrons são montados a partir de pequenos blocos de construção - quarks. Todas essas partículas - elétrons, prótons, nêutrons e quarks - são férmions. A matéria é composta de férmions. Mas sem bósons, átomos, núcleos, prótons e nêutrons simplesmente desmoronam. Esses bósons, principalmente fótons e glúons, pulando entre os férmions, criam as forças de atração que mantêm tudo unido. Embora férmions e bósons sejam críticos para o mundo ser o que é, eles sempre foram considerados "animais de raças diferentes".
Mas, no início da década de 1970, os teóricos inspirados nos primeiros sucessos da teoria das cordas começaram a brincar com novas idéias matemáticas, segundo as quais férmions e bósons na verdade não são tão diferentes. Uma idéia era que todas as partículas formam pares perfeitos de gêmeos idênticos, idênticos em todos os aspectos, exceto que um deles é um férmion e o outro um bóson. Era uma hipótese completamente selvagem. Sua justiça para o mundo real significaria que os físicos de alguma maneira conseguiram perder metade de todas as partículas elementares, falhando em encontrá-las em seus laboratórios. Por exemplo, de acordo com essa hipótese, deve existir uma partícula com exatamente a mesma massa, carga e outras propriedades que um elétron, mas não é um férmion, mas um bóson. Como você não percebeu essa partícula nos aceleradores de Stanford ou CERN? A supersimetria pressupõe a existência de um gêmeo de férmion neutro sem massa em um fóton, bem como gêmeos de bóson em elétrons e quarks. Ou seja, a hipótese previa um mundo inteiro de "opostos" misteriosamente ausentes. De fato, todo esse trabalho foi apenas um jogo matemático, um estudo puramente teórico de um novo tipo de simetria - um mundo que não existe, mas que poderia existir.
Partículas gêmeas idênticas não existem. Os físicos não mexeram e não perderam todo o mundo paralelo. Que interesse é essa especulação matemática nesse caso e por que esse interesse se intensificou repentinamente nos últimos 30 anos? Os físicos sempre se interessaram por todos os tipos de simetrias matemáticas, mesmo que a única pergunta razoável que pudesse ser feita fosse: "Por que essa simetria não está na natureza?" Mas o mundo real e sua descrição física estão cheios de várias simetrias. A simetria é uma das ferramentas mais poderosas e de longo alcance do arsenal da física teórica. Ela permeia todas as seções da física moderna, e especialmente as relacionadas à mecânica quântica. Em muitos casos, o tipo de simetria é tudo o que sabemos sobre o sistema físico, mas a análise de simetria é tão poderosa que geralmente nos diz quase tudo o que queremos saber. As simetrias costumam ser o jardim no qual os físicos encontram satisfação estética de suas teorias. Mas o que é simetria?
Vamos começar com os flocos de neve. Toda criança sabe que não há dois flocos de neve idênticos, mas ao mesmo tempo todos eles têm uma característica em comum, a simetria. A simetria de um floco de neve é imediatamente evidente. Se você pegar um floco de neve e girá-lo em um ângulo arbitrário, ele parecerá diferente da sua forma original - girada. Mas se você girar o floco de neve exatamente 60 °, ele coincidirá com ele mesmo. Um físico poderia dizer que uma rotação de 60 ° de um floco de neve é simetria.
As simetrias estão associadas a operações ou transformações que podem ser executadas no sistema sem afetar o resultado do experimento. No caso de um floco de neve, essa operação é uma rotação de 60 °. Aqui está outro exemplo: suponha que montemos um experimento destinado a medir a aceleração da gravidade na superfície da Terra. A opção mais simples seria soltar a pedra de uma altura conhecida e medir o tempo de sua queda. Resposta: cerca de 10 metros por segundo por segundo. Observe que não estou preocupado em lhe dizer onde deixei a pedra cair: na Califórnia ou em Calcutá. Em uma aproximação muito boa, a resposta será a mesma em qualquer lugar da superfície da Terra: o resultado do experimento não será alterado se você se mover com todo o equipamento experimental de um lugar na superfície da Terra para outro. No jargão físico, uma mudança ou movimento de algo de um ponto para outro é chamado de tradução. Portanto, podemos dizer sobre o campo gravitacional da Terra que ele tem "simetria translacional". Certamente, alguns efeitos colaterais podem atrapalhar os resultados de nosso experimento e arruinar a simetria. Por exemplo, ao realizar um experimento em depósitos minerais muito grandes e maciços, obteremos um valor ligeiramente mais alto do que em outros lugares. Nesse caso, diríamos que a simetria é apenas aproximada. A simetria aproximada também é chamada de simetria quebrada. A presença de depósitos separados de minerais pesados "viola a simetria da tradução".
A simetria do floco de neve pode ser quebrada? Sem dúvida, alguns flocos de neve são imperfeitos. Se um floco de neve se formar em condições imperfeitas, um lado poderá diferir do outro. Ele ainda terá uma forma próxima a um hexagonal, mas esse hexágono será imperfeito, ou seja, sua simetria será quebrada.
No espaço sideral, longe de influências perturbadoras, poderíamos medir a força gravitacional entre duas massas e obter a lei newtoniana da gravitação universal. Independentemente de onde o experimento é conduzido, nós, em teoria, devemos obter a mesma resposta. Assim, a lei newtoniana da gravidade tem invariância translacional.
Para medir a força de atração entre dois objetos, é necessário organizá-los a uma certa distância um do outro. Por exemplo, podemos organizar dois objetos para que a linha que os conecta seja paralela ao eixo x em algum sistema de coordenadas. Com igual sucesso, podemos organizar objetos em uma linha paralela ao eixo y. A força da atração medida por nós dependerá da direção da linha que liga esses objetos? Em princípio, sim, mas apenas se as leis da natureza diferirem daquelas que possuímos. Na natureza, a lei da gravitação universal afirma que a força da atração é proporcional ao produto das massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas e não depende da orientação de um objeto em relação a outro. A independência da direção é chamada de simetria rotacional. As simetrias translacionais e rotacionais são as propriedades fundamentais mais importantes do mundo em que vivemos.
Olhe no espelho. Seu reflexo é como duas gotas de água. A imagem invertida das suas calças não é diferente das próprias calças. O reflexo da luva esquerda repete exatamente a luva esquerda.
Parar Algo está errado aqui. Vamos olhar novamente com cuidado. A imagem espelhada da luva esquerda não é completamente idêntica à luva esquerda. É idêntico à luva certa! E a imagem no espelho da luva direita é idêntica à luva esquerda.
Agora dê uma olhada mais de perto no seu próprio reflexo. Este não é você. A toupeira que está na sua bochecha esquerda está à sua direita no seu reflexo. E se você abrisse seu próprio peito, descobriria que o coração em seu reflexo não está à esquerda, como todas as pessoas normais, mas à direita. Vamos chamar o espelho homem - homem.
Suponha que tenhamos uma tecnologia futurista que nos permita montar qualquer objeto que queremos de átomos individuais. Usando essa tecnologia, construiremos uma pessoa cuja imagem no espelho o repita exatamente: o coração à esquerda, sardas à esquerda etc. etc. Então o original que construiremos será uma pessoa.
Uma pessoa funcionará normalmente? Ele vai respirar? Seu coração vai bater? Se você lhe der um doce, ele absorverá o açúcar em sua composição? As respostas para a maioria dessas perguntas são sim. Basicamente, uma pessoa funcionará exatamente da mesma maneira que uma pessoa. Mas haverá problemas com seu metabolismo. Ele não será capaz de absorver o açúcar comum. A razão é que o açúcar existe em duas formas de espelho, como luvas direita e esquerda. Uma pessoa é capaz de absorver apenas uma das formas espelhadas de açúcar. E uma pessoa é capaz de absorver apenas açúcar. As moléculas - açúcar e açúcar - diferem uma da outra da mesma maneira que as luvas direita e esquerda. Os químicos chamam açúcares comuns que uma pessoa é capaz de digerir, isômeros D (do latim dextra - à direita), e espelham açúcares que apenas os humanos podem digerir - isômeros L (do latim lævum - à esquerda).
Substituir qualquer coisa por seu reflexo no espelho é chamado simetria no espelho, ou paridade. As conseqüências do reflexo do espelho são, em princípio, óbvias, mas vamos repetir mais uma coisa importante: se tudo no mundo for substituído por seu reflexo no espelho, o comportamento deste mundo não mudará de forma alguma e não diferirá do comportamento do nosso mundo.
De fato, a simetria do espelho não é precisa. É um bom exemplo de simetria quebrada. Algo leva ao fato de que o reflexo no espelho do neutrino é muitas vezes mais pesado que o original. Isso se aplica a todas as outras partículas, embora em menor grau. Parece que o grande espelho do mundo está levemente torto, distorce levemente o reflexo. Mas essa distorção é tão insignificante que praticamente não afeta a matéria comum. Mas no comportamento de partículas de alta energia no mundo dos espelhos, mudanças muito significativas podem ocorrer. No entanto, vamos, por enquanto, fingir que a simetria do espelho na natureza é precisa.
O que queremos dizer quando dizemos que existe uma relação de simetria entre partículas? Em poucas palavras, isso significa que cada tipo de partícula tem um parceiro ou gêmeo com propriedades muito semelhantes. Para simetria espelhada, isso significa que, se as leis da natureza permitem a existência de uma luva esquerda, então a existência de uma direita é possível. Estabelecer a existência de D-glicose significa que a L-glicose também deve existir. E se a simetria do espelho não for quebrada, o mesmo deve se aplicar a todas as partículas elementares. Cada partícula deve ter um gêmeo idêntico a ele para refletir a reflexão. Quando uma pessoa é espelhada, cada partícula elementar que compõe seu corpo é substituída por seu espelho gêmeo.
A antimatéria é outro tipo de simetria chamada simetria de conjugação de carga. Como a simetria envolve a substituição de tudo por seu análogo simétrico, a conjugação de simetria de carga envolve a substituição de cada partícula por sua antipartícula. Altera cargas elétricas positivas, como prótons, para negativas, neste caso, antiprótons. Da mesma forma, elétrons com carga negativa são substituídos por pósitrons com carga positiva. Os átomos de hidrogênio são substituídos por átomos de anti-hidrogênio que consistem em pósitrons e anti-prótons. Tais átomos são realmente obtidos em laboratórios, no entanto, em uma quantidade muito pequena, insuficiente para construir antimoléculas a partir deles. Mas ninguém duvida que antimoléculas sejam possíveis. Os anticorpos são possíveis da mesma maneira, mas não esqueça que você precisará alimentá-los com anti-alimentos. De fato, é melhor manter os anti-humanos e as pessoas comuns afastados um do outro. Quando uma substância encontra a antimatéria, ela se destrói mutuamente, transformando-se em fótons. A explosão que acontece se você acidentalmente apertar a mão do anti-humano será mais forte que a explosão de uma bomba de hidrogênio.
Como se viu, a simetria da conjugação de carga também é levemente quebrada. Mas, como no caso da simetria no espelho, o efeito dessa violação é completamente insignificante se não levarmos em conta partículas de energias muito altas. Agora de volta aos férmions e bósons. A teoria original das primeiras cordas que desenvolvemos com Nambu é chamada de teoria das cordas bosônicas, porque todas as partículas que ela descreve são bósons. Não é adequado para descrever hadrons, porque, afinal, um próton é um férmion. Do mesmo modo, não é adequado para o papel da teoria de tudo. Elétrons, neutrinos, quarks - todos são férmions. Mas não passou muito tempo e apareceu uma nova versão da teoria das cordas, que já continha não apenas bósons, mas também férmions. — , , -, , .
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