Uma nova hipótese física desafia a principal "teoria de tudo"
Em 25 de junho, o físico Timm Wrase, que vive em Viena, acordou e folheou sonolentamente uma lista de obras físicas recentemente publicadas online. Uma manchete o atingiu, de modo que ele jogou fora todos os restos do sono.
O trabalho de
Harran Harvard, um excelente especialista em teoria das cordas, realizado em colaboração com seus colegas, levantou a hipótese de que existe uma fórmula simples que determina quais universos podem existir e quais não, de acordo com a teoria das cordas. A teoria das cordas, a principal candidata à "
teoria de tudo "
, unindo a gravidade e a física quântica, define toda matéria e interações na forma de vibrações de minúsculos fios de energia. A teoria permite cerca de
10.500 soluções: uma enorme e variada "paisagem" de possíveis universos. Especialistas em teoria das cordas, como Vraze e Wafa, tentam há anos colocar nosso universo em algum lugar nesse cenário de possibilidades.
Mas enquanto Wafa e colegas sugeriram que, no cenário da teoria das cordas, universos como o nosso - ou melhor, da maneira que imaginávamos - não poderiam existir. Se a teoria estiver correta, como Vraze e outros físicos entenderam imediatamente, então nosso Universo é completamente diferente do que deveria ser ou a teoria das cordas está incorreta.
Tendo levado os filhos ao jardim de infância, Vraze foi trabalhar no Instituto de Tecnologia de Viena, onde seus colegas discutiram vigorosamente o mesmo trabalho. No mesmo dia, Wafa, enquanto estava em Okinawa, no Japão,
apresentou essa teoria na conferência Strings 2018, seguida por físicos de todo o mundo. Disputas surgiram na conferência e em outros lugares. "Muitos disseram imediatamente:" Isso provavelmente é um erro ", outros disseram:" Sim, há quantos anos venho dizendo isso ", houve outras reações intermediárias", diz Vraze. Ele acrescenta que houve confusão, mas “e, é claro, grande interesse. Porque, se essa hipótese for verdadeira, terá muitas consequências enormes para a cosmologia ".
Os pesquisadores sentaram-se no trabalho, tentando testar a hipótese e estudar suas conseqüências. Vraze já escreveu duas obras,
uma das quais pode levar a um refinamento da hipótese, e ele fez isso, principalmente durante as férias com a família. Ele lembra como pensou: "É tão interessante que preciso trabalhar e estudá-lo mais profundamente".
A fórmula proposta, que apareceu no
trabalho de 25 de junho por Vafa, Georges Obied, Hiroshi Ooguri e Lev Spodyneiko, e depois estudou mais profundamente em um
trabalho subsequente
publicado dois dias depois , por Vafa, Obied, Prateek Agraval e Pla Steinhardt, na verdade, sugere que, com a expansão do universo, a densidade da energia do vácuo no espaço vazio diminua mais rapidamente que um determinado valor. A regra deve funcionar em todos os modelos simples de universo, com base na teoria das cordas. Mas contradiz duas opiniões populares sobre o universo real: torna impossível a idéia geralmente aceita de sua atual expansão e o modelo principal de seu nascimento explosivo.
* * *
Desde 1998, foi observado nos telescópios que o espaço está se expandindo cada vez mais rápido, o que significa que o vácuo do espaço vazio deve ser alimentado por uma dose de "energia escura" repulsiva gravitacionalmente. Além disso, parece que a quantidade de energia escura derramada no espaço vazio permanece constante (tanto quanto se pode julgar).
Mas uma nova hipótese afirma que a energia de vácuo do universo deve diminuir.
Wafa e colegas argumentam que universos com energia de vácuo estável e positiva, conhecidos como
universos de Sitter , não podem existir. Desde a descoberta da energia escura, em 1998, os especialistas em teoria das cordas têm se esforçado para construir um modelo convincente de cordas dos universos de Sitter. Mas se Wafa estiver certo, essas tentativas estão fadadas a ficar presas em inconsistências lógicas; Os universos de Sitter não estão nessa paisagem, mas em “pântanos”. "Eu chamo coisas que parecem consistentes, mas têm contradições, pântanos", explicou ele recentemente. “Eles são muito parecidos com a paisagem, podem enganar você. Parece que você será capaz de construí-los, mas, na realidade, não é assim.
De acordo com essa “hipótese do pântano de Sitter”, em todos os universos lógicos possíveis, a energia do vácuo deve cair como uma bola rolando ladeira abaixo ou atingir um valor negativo estável. (Os chamados universos anti-de Sitter, com valores estáveis e negativos da energia do vácuo, são fáceis de construir na teoria das cordas).
Se essa suposição for verdadeira, significa que a densidade da energia escura em nosso Universo não pode ser constante e deve assumir a forma da chamada. "
quintessências " - uma fonte de energia, diminuindo gradualmente ao longo de dezenas de bilhões de anos. Agora, espera-se lançar várias experiências nas quais, usando telescópios, será melhor estabelecido se o Universo está se expandindo a uma velocidade constante ou acelerado - isto é, se uma quantidade proporcional de nova energia escura aparece com um novo espaço, ou a aceleração cósmica muda gradualmente de acordo com os modelos de quintessência . A descoberta da quintessência revolucionaria a física e a cosmologia fundamentais e reescreveria o passado e o futuro do espaço. Um universo por excelência não seria destruído pelo
Big Gap , mas diminuiria gradualmente e, de acordo com a maioria dos modelos, acabaria se expandindo e contraindo em
Big Compression ou
Big Bounce .
Steinhardt, um cosmologista de Princeton e um dos co-autores de Wafa, diz que, nos próximos anos, "todos os olhos estarão atentos" aos resultados de experimentos como
observação de energia escura , um
telescópio infravermelho de amplo alcance e
o telescópio euclidiano , do qual ficará claro se densidade de energia escura. "Se ficar claro que a imagem é contrária à quintessência", diz Steinhardt, "isso significa que ou a idéia do pântano está errada, ou a teoria das cordas está errada, ou ambas estão erradas - em geral, algo deve estar errado."
A nova hipótese do pântano não expressa dúvidas menos acentuadas sobre a história geralmente aceita do nascimento do Universo: a teoria do Big Bang e a inflação cósmica. De acordo com essa teoria, uma pequena partícula de espaço-tempo, contendo uma enorme quantidade de energia, rapidamente se formou e formou um universo macroscópico no qual vivemos. Essa teoria, entre outras coisas, foi inventada para explicar como exatamente o Universo se tornou tão grande, suave e plano.
Mas o hipotético campo inflacionário de energia que deveria alimentar a inflação cósmica não é compatível com a fórmula de Wafa. Para satisfazer essa fórmula, a energia do campo inflacionário precisou ser esgotada muito rapidamente, a fim de obter um Universo suave e plano, como ele e seus colegas explicaram. Portanto, sua hipótese contradiz muitos modelos populares de inflação cósmica. Nos próximos anos, telescópios como o
Observatório Simons buscarão os sinais finais da inflação no espaço comparando essa teoria com as concorrentes.
Nesse momento, especialistas em teoria das cordas, geralmente falando em uma frente unida, discordavam da hipótese. Eva Silverstein, professora de física da Universidade de Stanford, líder de projeto na criação de modelos de inflação de cordas, acredita que é muito provável que essa teoria se mostre errada. O mesmo acontece com o marido, o professor de Stanford, Shamit Kachra; é a primeira letra K em KKLT, a famosa obra de 2003, conhecida pelas iniciais de seus autores, na qual eles propuseram um conjunto de ingredientes de cordas que podem ser usados para criar universos de Sitter. A fórmula de Wafa diz que os desenhos de Silverstein e Kachra não funcionarão. "Essas hipóteses cercaram nossa família", brinca Silverstein. Mas, do ponto de vista dela, os modelos de expansão acelerada não perderam nada após a publicação de novos trabalhos. “Eles basicamente argumentam que essas coisas não existem, citando os resultados analíticos muito limitados e, em alguns casos, duvidosos”, diz ela.
Matthew Kleban, especialista em teoria das cordas e cosmólogo da Universidade de Nova York, também está trabalhando em modelos de inflação de cordas. Ele enfatiza que a nova teoria do pântano é muito especulativa e é um exemplo clássico do comportamento de um bêbado que procurava chaves sob uma lanterna, porque era mais leve lá, pois a maior parte do cenário da teoria das cordas ainda não foi estudada. Mas ele admite que, com base nas evidências existentes, a hipótese pode se tornar verdadeira. "Pode ser verdade sobre a teoria das cordas, e então a teoria das cordas não descreve o mundo", diz Kleban. E, talvez, “a energia escura a refutou. E isso obviamente será muito interessante. ”
A teoria do pântano de De Sitter e as experiências futuras serão capazes de refutar a teoria das cordas, aprenderemos mais adiante. Uma descoberta feita nos anos 2000 de que a teoria das cordas tem cerca de
10.500 soluções acabou com a esperança de prever de uma maneira única e inevitável o futuro do nosso universo. Parece que a teoria pode suportar quase qualquer observação, o que torna muito difícil verificar ou refutar experimentalmente.
Em 2005, Wafa e toda uma rede de co-autores começaram a refletir sobre como reduzir esse número de possibilidades, marcando as propriedades fundamentais da natureza, que em qualquer caso deveriam ser verdadeiras. Por exemplo, sua
teoria da gravidade fraca sugere que a gravidade deve ser a mais fraca das interações em qualquer universo lógico. Universos teóricos que não atendem a esses requisitos são jogados da paisagem para o pântano. Muitas dessas suposições pântanos lidaram bem com os argumentos que os atacaram, e algumas "agora estão em uma base muito sólida", disse Hiroshi Ooguri, físico teórico do Instituto de Tecnologia da Califórnia, um dos primeiros colegas de Wafa na hipótese do pântano. Por exemplo, a teoria da gravidade fraca ganhou tanta evidência que acredita-se que seja geralmente verdadeira, independentemente de a teoria das cordas ser uma teoria adequada da gravidade.
A intuição sobre onde a paisagem termina e o pântano começa deve-se a décadas de esforços para construir modelos de universos de cordas. O principal obstáculo para esse projeto é que a teoria das cordas prediz a existência de 10 dimensões do espaço-tempo, que é muito maior que as quatro visíveis. Os especialistas em teoria das cordas sugerem que seis dimensões adicionais devem ser pequenas - bem dobradas em cada ponto. A paisagem é preenchida com todas as formas possíveis de configurar essas dimensões adicionais. Mas, embora existam muitas possibilidades, os pesquisadores, por exemplo, Wafa, descobriram a aparência de princípios generalizados. Por exemplo, medições distorcidas tendem a se contrair gravitacionalmente, e campos como eletromagnético tendem a separar tudo. Em configurações simples e estáveis, esses efeitos são equilibrados pela energia negativa do vácuo, o que leva ao surgimento de universos anti-de Sitter. Transformar energia de vácuo em energia positiva é muito difícil. "Geralmente na física existem exemplos simples de fenômenos gerais", disse Wafa. "Mas isso não se aplica ao modelo de De Sitter."
A KKLT, de autoria de Kachra, Renata Kallosh, Andrei Linde e Sandeep Trivedi, oferece armadilhas de cordas como fluxos, instantons e anti-d-branas, que em teoria podem se tornar ferramentas para ajustar a energia de vácuo positiva e constante. No entanto, esses projetos são complexos e, ao longo dos anos, foram encontradas possíveis instabilidades neles. Embora Kachru diga que não tem "sérias dúvidas", muitos pesquisadores começaram a suspeitar que o script KKLT ainda não fornece universos estáveis de Sitter.
Wafa acredita que era hora de realizar uma busca concertada por um modelo de um universo de Sitter excepcionalmente estável. Sua hipótese deve antes de tudo enfatizar a importância desse problema. Do seu ponto de vista, os especialistas em teoria das cordas não sentem motivação suficiente para descobrir se a teoria das cordas é capaz de descrever nosso mundo, em vez de ocupar o ponto de vista segundo o qual, uma vez que o cenário das cordas é enorme, ainda há espaço para nós. ninguém sabe onde exatamente. “A maioria dos membros da comunidade da teoria das cordas ainda está do lado da existência das construções de De Sitter”, diz ele, “já que todos acreditam: Veja, vivemos em um universo de Sitter com energia positiva; então é melhor procurar exemplos desse tipo ".
Sua hipótese levou a comunidade a agir, e pesquisadores como Vraze começaram a procurar contra-exemplos de universos estáveis de Sitter, enquanto outros brincavam com modelos de cordas pouco explorados de universos quintessenciais. "De qualquer forma, eu estaria interessado em saber se a hipótese é verdadeira ou não", disse Wafa. - A questão é o que devemos fazer. E só podemos alcançar progresso encontrando evidências a favor ou contra a teoria. ”
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