Pergunte a Ethan: Quão perto estamos da Teoria de Tudo?

A idéia de que todas as interações e partículas observadas hoje são manifestações de uma única teoria abrangente é atraente, mas requer medições adicionais e um monte de novos tipos de partículas e interações

Muito antes de Einstein, as pessoas que estudavam o Universo sonhavam em encontrar uma única equação, cobrindo o maior número possível de fenômenos. Em vez de ter sua própria lei para cada propriedade física do Universo, seria possível combiná-las em uma plataforma única e abrangente. Todas as leis de cargas elétricas, magnetismo, correntes elétricas, indução e outras coisas foram combinadas em uma plataforma por James Clerk Maxwell em meados do século XIX. Desde então, os físicos sonham com a teoria de tudo : uma única equação que governa todas as leis do universo. Que progresso fizemos? Esta é a pergunta do nosso leitor que quer saber:

A ciência progrediu com relação à Teoria da Grande Unificação (TVO) e à Teoria de Tudo? Você poderia explicar o que significaria para nós se encontrássemos uma equação unificadora?

Sim, houve progresso, mas ainda não atingimos a meta. Além disso, não há sequer confiança de que a Teoria de tudo exista.


Interações eletromagnéticas, fracas, fortes e gravitacionais são as quatro interações fundamentais conhecidas do universo.

As leis da natureza, até onde as descobrimos, podem ser divididas em quatro interações fundamentais: a força da gravidade, controlada pela Teoria Geral da Relatividade, e as três forças quânticas que controlam as partículas e sua interação - interação nuclear forte, interação nuclear fraca e interação eletromagnética. As primeiras tentativas de criar uma teoria unificada de tudo começaram logo após a publicação da relatividade geral, mesmo antes de conhecermos as leis fundamentais que governam as interações nucleares. Essas idéias, conhecidas como teorias de Kaluza-Klein , tentaram combinar gravidade e eletromagnetismo.


A idéia de combinar gravidade e eletromagnetismo remonta ao início da década de 1920 e às obras de Theodor Kaluza e Oscar Klein.

A adição de uma dimensão espacial adicional à relatividade geral de Einstein, a quinta seguida (exceto a padrão três espacial e uma temporária), resultou no aparecimento da gravidade de Einstein, do eletromagnetismo de Maxwell e de um novo campo escalar adicional. A dimensão adicional deve ser pequena o suficiente para não interferir com as leis da gravidade, e o campo escalar adicional não deve ter um efeito distinguível no Universo. Como era impossível formular uma teoria quântica da gravidade com essa abordagem, a descoberta da física quântica e das forças nucleares - que essa tentativa de unificar não pôde levar em consideração - privou a abordagem da popularidade.


Quarks, antiquarks e gluons do Modelo Padrão têm uma carga de cor, além de todas as outras propriedades, como massa e carga elétrica. O modelo padrão pode ser escrito na forma de uma única equação, mas as interações nele não serão combinadas.

No entanto, interações nucleares fortes e fracas levaram à formulação do Modelo Padrão em 1968, que reuniu interações fortes, fracas e eletromagnéticas sob um guarda-chuva abrangente. Todas as partículas e suas interações foram levadas em consideração, várias novas previsões foram feitas, incluindo uma grande previsão sobre a associação. Em altas energias da ordem de 100 GeV (a energia necessária para acelerar um elétron a um potencial de 100 bilhões de volts), a simetria que combina interação eletromagnética e fraca deve ser restaurada. A existência de novos bósons maciços foi prevista e, com a descoberta dos bósons W e Z em 1983, essa previsão foi confirmada. Quatro interações fundamentais reduzidas para três.


A idéia de unificação sugere que todas as três interações do Modelo Padrão, e possivelmente até a gravidade, em altas energias são combinadas em uma única plataforma

A união já era uma ideia interessante, mas os modelos começaram a desenvolvê-la. As pessoas sugeriram que, com energias ainda mais altas, uma interação forte se combinará com a fraqueza elétrica; foi daqui que surgiu a idéia das Grandes Teorias da Unificação. Alguns sugeriram que, com energias ainda mais altas, talvez na região da escala de Planck, a gravidade também se juntará ao resto; essa foi uma das principais motivações da teoria das cordas. Uma característica interessante dessas idéias é que, se você precisar de unificação, precisará restaurar simetrias com altas energias. E se o Universo com altas energias tem simetrias atualmente quebradas, isso pode ser traduzido em algo observável: novas partículas e novas interações.


Partículas do modelo padrão e seus gêmeos supersimétricos. Esse espectro de partículas é uma conseqüência inevitável da união de quatro interações fundamentais no contexto da teoria das cordas

Então, que novas partículas e interações são previstas? Depende de qual versão das teorias da unificação escolher. Estes incluem:

• Partículas pesadas e neutras, semelhantes à matéria escura.
• Parceiros supersimétricos de partículas.
• Monopólos magnéticos.
• Bósons escalares pesados ​​e carregados [com rotação zero / aprox. transl.].
• Muitas partículas semelhantes à partícula de Higgs.
• Partículas intermediárias no decaimento de prótons.

Embora, a partir de observações indiretas, possamos confirmar com segurança a existência de matéria escura, nenhuma dessas partículas ou decaimentos previstos foram observados em experimentos.


Em 1982, em um experimento liderado por Blas Cabrera , com oito voltas de fio, uma mudança foi registrada em oito magnetons: um sinal de um monopolo magnético. Infelizmente, durante a descoberta, ninguém estava no laboratório e ninguém conseguiu reproduzir esse experimento ou encontrar o segundo monopolo.

Mas é uma pena - por muitas razões, uma vez que estávamos procurando ativamente tudo isso. Em 1982, um dos experimentos que procuravam monopólos magnéticos registrou o único resultado positivo; portanto, muitos seguidores tentaram encontrar monopólos. Infelizmente, esse resultado positivo foi uma anomalia e ninguém nunca o reproduziu. Também na década de 1980, as pessoas começaram a construir tanques gigantes com água e outros núcleos atômicos em busca de evidências de decaimento de prótons. Como resultado, esses tanques foram convertidos em sensores de neutrinos, e nenhum único decaimento do próton foi registrado. O limite de vida útil do próton agora ultrapassa 10 ³⁵ anos - cerca de 25 ordens de magnitude a mais do que a idade do Universo.


A cisterna cheia de água do experimento Super Kamiokande , que estabeleceu as restrições mais rigorosas à vida útil do próton. Mais tarde, esses detectores se tornaram excelentes observatórios de neutrinos, mas não registraram um único decaimento de prótons.

Isso também é ruim, porque a Grande Unificação oferece uma maneira pura e elegante de criar assimetrias entre matéria e antimatéria no Universo. Nos primeiros dias, o Universo estava quente o suficiente para produzir pares matéria / antimatéria e todas as partículas que poderiam ser. Na maioria dos TBOs, duas dessas partículas existentes são os bósons superpesados ​​X e Y, que possuem cargas e contêm pares de quarks e leptons. Espera-se que a assimetria se manifeste na maneira como suas versões para matéria e antimatéria se desintegram, o que pode levar ao predomínio de resíduos de matéria sobre antimatéria, mesmo que inicialmente não houvesse predominância. Infelizmente, novamente, ainda precisamos encontrar evidências da presença de tais partículas e de suas interações.


Uma coleção simétrica de bósons da matéria e antimatéria (X, Y, anti-X, anti-Y) pode, na presença das propriedades necessárias da TBO, gerar a assimetria da matéria / antimatéria observada no Universo atualmente

Alguns físicos acreditam que essas simetrias devem existir no Universo e que suas evidências estão simplesmente além das energias disponíveis no LHC. Outros chegam a uma oportunidade menos conveniente: provavelmente a natureza não procura se unir. Talvez não haja TVO descrevendo nossa realidade física; talvez a teoria quântica da gravidade não esteja combinada com outras interações; talvez os problemas da bariogênese e da matéria escura tenham outras soluções que não se seguem dessas idéias. Afinal, o árbitro final de como o Universo se parece não será nossas idéias sobre isso, mas os resultados de experimentos e observações. Só podemos perguntar ao universo o que é; cabe a nós atender a resposta e agir com base nela.


O Lagrangiano do Modelo Padrão é uma equação única que inclui partículas e interações do Modelo Padrão. Possui cinco partes independentes: glúons (1), bósons fracos (2), a interação da matéria com uma interação fraca e o campo de Higgs (3), espíritos de partículas que eliminam a redundância do campo de Higgs (4) e espíritos de Faddeev-Popov que afetam a redundância interação fraca (5). Massas de neutrinos não estão incluídas.

Embora possamos escrever o Modelo Padrão como uma única equação, essa não é uma teoria de unificação no sentido de que membros diferentes, independentes e independentes governam diferentes componentes do Universo. Diferentes partes do modelo padrão não interagem entre si - a carga da cor não afeta as interações eletromagnéticas ou fracas. Também não há resposta para perguntas sobre por que não há interações, como a violação da invariância do PC, na interação forte que deve ocorrer.


Quando a simetria é restaurada (no valor potencial mais alto), ocorre uma união. No entanto, a violação de simetrias, na base da colina, corresponde ao Universo que temos hoje, onde existem novos tipos de partículas maciças

Muitos esperam que a associação contenha a resposta para essas perguntas e que resolva muitos problemas abertos e quebra-cabeças da física moderna. No entanto, qualquer tipo de simetria adicional - simetrias que são restauradas com altas energias e hoje estão quebradas - leva ao aparecimento de novas partículas, novas interações e novas regras físicas pelas quais o Universo deve jogar. Tentamos fazer engenharia reversa de algumas das previsões usando as regras necessárias para que tudo funcione - no entanto, as partículas e associações que esperávamos ver não apareceram. A unificação não o ajudará a obter propriedades manifestas como química, biologia, geologia, consciência - mas nos ajudará a entender melhor de onde e como tudo veio.


A história cósmica de todo o universo conhecido mostra que devemos a origem de toda a matéria e toda a luz nela até o fim da inflação e o começo do quente Big Bang

Claro, há outra possibilidade: que o Universo não possa se unir. O fato de existirem muitas leis e regras diferentes por uma razão: as simetrias que inventamos são apenas características matemáticas, e não descrições do universo físico. Para toda teoria física elegante, bonita e convincente, há outra teoria física igualmente elegante, bonita e convincente - mas falsa. Nestas, como em todas as questões científicas, a tarefa da humanidade é fazer as perguntas certas. Bem, a tarefa do universo é nos fornecer respostas. Quaisquer que sejam, temos um universo como ele é. E devemos entender o que essas respostas significam.

Ethan Siegel - astrofísico, popularizador da ciência, autor de Starts With A Bang! Ele escreveu os livros "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ] e "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].

FAQ: se o Universo está se expandindo, por que não estamos expandindo ? por que a era do universo não coincide com o raio de sua parte observada .