Os cientistas estão procurando uma única descrição da realidade. Mas a física moderna nos permite descrevê-la de várias maneiras, muitas das quais são equivalentes entre si, e são conectadas através de uma extensa paisagem de possibilidades matemáticas
Suponha que pedimos a Alice e Bob para cozinhar uma refeição. Alice gosta de comida chinesa, Bob gosta de comida italiana. Cada um deles escolheu sua receita favorita, comprada em uma loja local especializada nos produtos certos e seguiu cuidadosamente as instruções. Mas quando tiraram a louça do forno, ficaram muito surpresos. Descobriu-se que os dois pratos são idênticos. Pode-se imaginar que perguntas existenciais Alice e Bob farão. Como o mesmo prato pode ser feito com ingredientes diferentes? O que significa cozinhar um prato chinês ou italiano? Existe alguma falha fatal em sua abordagem à culinária?
É precisamente essa perplexidade experimentada por especialistas em física quântica. Eles encontraram muitos exemplos de duas descrições completamente diferentes do mesmo sistema físico. Somente no caso da física, os ingredientes não são carne e molho, mas partículas e força; receitas são fórmulas matemáticas que codificam interações; e cozinhar é um procedimento de quantização que transforma equações em probabilidades de fenômenos físicos. E, como Alice e Bob, os físicos ficam perplexos com a forma como diferentes receitas levaram ao mesmo resultado.
A natureza pode escolher suas leis fundamentais? Albert Einstein, como você sabe, acreditava que existe uma maneira única de construir uma versão consistente e funcional do universo, baseada em princípios básicos. Do ponto de vista de Einstein, se aprofundarmos o suficiente na essência da física, haverá uma única maneira pela qual todos os componentes - matéria, radiação, forças, espaço, tempo - serão conectados entre si, para que a realidade funcione, comparada à como engrenagens, molas, mostradores e polias de um relógio mecânico, eles combinam e contam exclusivamente o tempo.
O atual
Modelo Padrão para Física de Partículas é, de fato, um mecanismo cuidadosamente adaptado, com poucos ingredientes. E, no entanto, em vez de permanecer único, o Universo é um de um número infinito de mundos possíveis. Não temos absolutamente nenhuma idéia de por que exatamente esse conjunto de partículas e forças está subjacente à estrutura da natureza. Por que existem seis
sabores de quarks,
três gerações de neutrinos e uma
partícula de Higgs ? Além disso, o Modelo Padrão lista 19 constantes da natureza - valores como a massa e a carga de um elétron - que precisam ser medidos experimentalmente. Os significados desses "
parâmetros livres " não parecem ter um significado profundo. Por um lado, a física de partículas é um milagre da elegância; por outro, a história de que é tudo porque é.
Se nosso mundo é um dos muitos, o que fazer com as alternativas? O ponto de vista atual pode ser visto como o oposto do sonho de Einstein de um cosmos único. Os físicos modernos pegam um enorme espaço de possibilidades e tentam entender sua lógica geral e interconectividade. Dos garimpeiros, eles se transformaram em geógrafos e geólogos, marcando os detalhes da paisagem e estudando as forças que a formam.
A teoria das cordas ajudou a mudar a situação e mudar a perspectiva. No momento, este é o único candidato viável para a teoria da natureza, capaz de descrever todas as partículas e interações, incluindo a gravidade, obedecendo às rígidas regras lógicas da mecânica quântica e da teoria da relatividade. A boa notícia é que não existem parâmetros livres na teoria das cordas. Ela não tem botões de ajuste para brincar. Não faz sentido perguntar qual teoria das cordas descreve o nosso universo, uma vez que é apenas um. A falta de recursos adicionais leva a consequências radicais. Todos os números da natureza devem ser determinados pela própria física. Não existem "constantes naturais", apenas variáveis fixadas por equações (possivelmente extremamente complexas).
E isso nos leva a más notícias. O espaço das soluções da teoria das cordas é enorme e complexo. Na física, isso acontece. Tradicionalmente, distinguimos entre leis fundamentais dadas por equações matemáticas e suas soluções. Geralmente, existem apenas algumas leis e um número infinito de soluções. Pegue as leis de Newton. Eles são rígidos e elegantes, mas descrevem um grande número de fenômenos, desde a maçã que cai até a órbita da lua. Se você conhece as condições iniciais de um sistema específico, as possibilidades dessas leis permitem resolver equações e prever o que acontecerá a seguir. Não esperamos nem exigimos soluções exclusivas que descrevam tudo.
Na teoria das cordas, certas características da física que normalmente consideramos leis da natureza - por exemplo, certas partículas ou interações - são na verdade soluções. Eles são determinados pela forma e tamanho das dimensões extras ocultas. O espaço de todas as decisões é freqüentemente chamado de "paisagem", mas esse é um eufemismo monstruoso. Mesmo o terreno montanhoso mais espetacular parecerá absurdo comparado à vastidão desse espaço. E embora entendamos muito mal sua geografia, sabemos que nela existem continentes de enormes dimensões. Uma de suas características mais sedutoras é que talvez tudo esteja conectado a tudo - ou seja, quaisquer dois modelos estejam conectados de maneira contínua. Se agitarmos o Universo com força suficiente, poderemos passar de um mundo possível para outro, mudando o que consideramos as leis imutáveis da natureza e uma combinação especial de partículas elementares que compõem nossa realidade.
Mas como podemos estudar a vasta paisagem dos modelos físicos do Universo, em que centenas de dimensões podem aparecer? É útil imaginar a paisagem como vida selvagem subdesenvolvida, a maioria escondida sob espessas camadas de complexidade intransitável. E somente em suas extremidades podemos encontrar lugares habitáveis. Nesses postos avançados, a vida é simples e agradável. Aqui encontramos os modelos básicos que são completamente compreensíveis para nós. Eles fazem pouco para ajudar a descrever o mundo real, mas servem como pontos de partida convenientes para explorar os arredores.
Um bom exemplo seria o QED,
a eletrodinâmica quântica , que descreve as interações entre matéria e luz. Neste modelo, existe um parâmetro, a
constante de estrutura fina α, que mede a força da interação de dois elétrons. Em termos absolutos, é próximo de 1/137. No QED, todos os processos podem ser considerados como conseqüência de interações elementares. O QED nos convida a considerar todas as maneiras possíveis pelas quais dois elétrons podem trocar um fóton, o que na prática exigiria que os físicos encontrassem uma quantidade extremamente complexa e infinita. Mas a teoria nos fornece uma solução alternativa: cada troca subsequente de fótons adiciona um termo no qual α é elevado, elevado a um grau adicional. Como esse número é bastante pequeno, os membros com um grande número de trocas fazem uma pequena contribuição. Eles podem ser negligenciados, estimando aproximadamente o valor "real".
Consideramos essas teorias pouco acopladas como postos avançados da paisagem. Aqui, a força das interações é pequena e faz sentido falar sobre uma lista de compras composta de partículas elementares e uma receita para calcular suas interações. Mas se deixarmos nosso círculo interno e formos à natureza, as conexões se tornarão maiores e cada membro adicional começará a se tornar mais importante. E agora não podemos mais distinguir entre partículas individuais. Eles se dissolvem, transformando-se em uma rede confusa de energias, como ingredientes de bolos em um forno quente.
Nem tudo, no entanto, está perdido. Às vezes, o caminho através do bosque escuro termina em outro posto avançado. Ou seja, em outro modelo bem controlado, montado a partir de um conjunto completamente diferente de partículas e interações. Nesse caso, eles se tornam duas receitas alternativas para a mesma física subjacente, como os pratos de Alice e Bob. Essas descrições complementares são chamadas de modelos duplos e seu relacionamento é chamado dualismo. Podemos considerar esses dualismos na forma de uma grande generalização da famosa
dualidade onda-partícula , descoberta por Heisenberg. No caso de Alice e Bob, assume a forma de uma transição entre receitas chinesas e italianas.
Por que isso é tão interessante para a física? Em primeiro lugar, a conclusão de que muitos, se não todos os modelos fazem parte de um vasto espaço interconectado, está entre os resultados mais impressionantes da física quântica moderna. Essa é uma mudança de perspectiva digna do termo "
mudança de paradigma ". Ela diz que, em vez de explorar o arquipélago de ilhas individuais, descobrimos um continente maciço. De certo modo, estudando um modelo com profundidade suficiente, podemos estudar todos eles. Podemos estudar como esses modelos estão relacionados, o que nos revelará o comum em suas estruturas. É importante enfatizar que esse fenômeno é amplamente independente da questão de saber se a teoria das cordas descreve ou não o mundo real. Essa é uma propriedade interna da física quântica, que não vai a lugar algum, não importa como o futuro da "teoria de tudo" se mostre.
Uma conclusão mais radical é que temos que nos livrar de todas as descrições tradicionais da física fundamental. Partículas, campos, interações, simetrias - todos esses são artefatos de existência simples nos postos avançados dessa vasta paisagem de complexidade inexpugnável. Aparentemente, a abordagem da física em termos de blocos de construção elementares está incorreta ou pelo menos muito limitada. Talvez exista uma plataforma radicalmente nova que combine as leis fundamentais da natureza, ignorando todos os conceitos familiares. A complexidade matemática e a coerência da teoria das cordas motivam fortemente esse ponto de vista. Mas devo dizer honestamente. Muito poucas das idéias atuais sobre a substituição de partículas e campos são "loucas demais para ser verdade", para citar
Niels Bohr . Como Alice e Bob, a física está pronta para jogar fora as receitas antigas e adotar a moderna
cozinha de fusão .