O universo elegante. Supercordas, dimensões ocultas e a busca da teoria definitiva
Brian Greene, 1999
As duas teorias mais precisas da física se contradizem. Brian Greene mostra onde exatamente elas se chocam e como a teoria das cordas tenta reconciliá-las: partículas como notas de cordas minúsculas, dimensões ocultas, um espaço que pode se rasgar. Bonita, ousada e até hoje não confirmada por experimento.
Para quem é
Para quem tem curiosidade sobre aquilo de que o mundo é feito em sua camada mais profunda e quer entender a teoria das cordas sem fórmulas, distinguindo uma ideia bonita de um fato comprovado.
Na forma atual, a relatividade geral e a mecânica quântica não podem estar ambas corretas.
Sobre o que é o livro
A física do século XX tem duas grandes teorias. A teoria da relatividade geral de Einstein descreve a gravidade, as estrelas e a expansão do Universo. A mecânica quântica descreve os átomos e as partículas. Ambas foram testadas com enorme precisão. E ambas, como mostra Brian Greene, não podem estar corretas ao mesmo tempo na forma em que estão: onde as duas são necessárias juntas, os cálculos deixam de dar respostas que façam sentido.
Greene, físico da Universidade Columbia, trabalha ele mesmo com a teoria das cordas, a principal candidata a reconciliar essas duas teorias. Ele conduz o leitor quase sem fórmulas, por meio de imagens: a corda de um violino, uma mangueira de jardim, uma formiga.
É importante desde a primeira página: a teoria das cordas é uma hipótese. Quando o livro saiu, em 1999, nenhum experimento a havia confirmado, e ela continua sem confirmação até hoje. As analogias de Greene ajudam a entender o que a teoria propõe, mas não provam nada. Por isso, no fim de cada ideia, este texto diz até que ponto ela está confirmada.
Ideia 1. Duas verdades que não se dão bem
Para Einstein, o espaço é um tecido liso que as massas curvam suavemente. Para a mecânica quântica, o mundo em pequenas distâncias treme: quanto menor a região que você observa, mais fortes são as flutuações desordenadas de energia dentro dela. É isso que o princípio da incerteza exige.
Greene propõe olhar o espaço cada vez mais de perto, como através de uma lupa. Primeiro, tudo é liso. Depois aparecem ondulações. E em distâncias da ordem de 10⁻³³ centímetro (o chamado comprimento de Planck), as ondulações viram um borbulhar. O físico John Wheeler deu a esse quadro o nome de “espuma quântica”. Segundo esse quadro, o tecido liso sobre o qual a teoria de Einstein foi construída pode simplesmente não existir ali.
Na vida cotidiana, o conflito passa despercebido: as estrelas são grandes e pesadas, as partículas são pequenas e leves. Mas no centro de um buraco negro e no começo do Universo, uma massa enorme está comprimida num volume minúsculo. As duas teorias são necessárias ao mesmo tempo, e juntas elas produzem infinitos sem sentido.
As duas teorias são confirmadas por observações, cada uma em sua área, e a incompatibilidade entre elas é um problema reconhecido por todos. A “espuma” continua sendo uma imagem: escalas assim nunca foram observadas diretamente.
Uma mesa parece lisa, mas no microscópio está cheia de sulcos. Se, como propõe Greene, você continuar aproximando o olhar, não sobrará nada plano em lugar nenhum.
O conflito não significa que uma das teorias esteja errada. É mais provável que ambas sejam aproximações de algo mais profundo.
Sobre o autor
Brian Greene (nascido em 1963) é um físico teórico americano, professor da Universidade Columbia e especialista em teoria das cordas. É um dos divulgadores de física mais conhecidos. “O universo elegante” é seu primeiro livro de divulgação científica.
Todos os livros do autor: Brian Greene
Conceitos do livro
- Entropia
- Morrison
- Wheeler
- Fóton
- Teoria da relatividade geral
- Einstein
- Mecânica quântica
- Teoria das cordas
- Hawking
- Princípio da incerteza: Lei da mecânica quântica formulada por Werner Heisenberg em 1927: não é possível saber com precisão, ao mesmo tempo, onde uma partícula está e com que velocidade ela se move. Daí decorre que, em pequenas escalas, a energia está sempre “tremendo”.
- Comprimento de Planck: Cerca de 10⁻³³ centímetro. A escala em que, segundo o entendimento atual, os efeitos quânticos da gravidade se tornam significativos.
- Espuma quântica: Imagem de John Wheeler: nas menores escalas, por causa das flutuações quânticas, o espaço pode não ser liso, mas agitado. É uma imagem para ajudar a entender, não uma observação.
- Veneziano: Gabriele Veneziano, físico teórico italiano. Sua fórmula de 1968 para colisões de partículas foi o primeiro passo rumo à teoria das cordas.
- Interação nuclear forte: A mais poderosa das quatro forças fundamentais da natureza. Ela mantém os quarks dentro dos prótons e nêutrons, e estes, por sua vez, dentro do núcleo atômico.
- Euler: Leonhard Euler, matemático suíço do século XVIII, um dos mais prolíficos da história. A fórmula de Veneziano se apoiava numa função que Euler havia estudado dois séculos antes.
- Scherk: Joël Scherk, físico teórico francês. Em 1974, junto com John Schwarz, propôs ver as cordas como uma teoria que inclui a gravidade.
- Schwarz: John Schwarz, físico teórico americano, um dos fundadores da teoria das cordas. Em 1974, junto com Joël Scherk, percebeu nas cordas a partícula da gravidade.
- Gráviton: Partícula hipotética que transmite a gravidade, assim como o fóton transmite a luz. Ainda não foi detectada.
- Quark: Uma das menores partículas que compõem os prótons e nêutrons do núcleo atômico. Na natureza, não aparece isolada.
- Kaluza: Theodor Kaluza, matemático e físico alemão. Em 1919, propôs acrescentar mais uma dimensão ao espaço para unificar a gravidade e o eletromagnetismo.
- Klein: Oskar Klein, físico sueco. Em 1926, explicou por que a dimensão extra de Kaluza passa despercebida: ela está enrolada num anelzinho minúsculo.
- Dimensões enroladas: Dimensões adicionais do espaço exigidas pela teoria das cordas. Pela hipótese, elas estão tão enroladas que não podem ser percebidas. Ainda não se encontraram sinais de que existam.
- Calabi-Yau: Formas complexas de seis dimensões, batizadas com os nomes dos matemáticos Eugenio Calabi e Shing-Tung Yau. Na teoria das cordas, são candidatas à forma das dimensões ocultas.
- Aspinwall: Paul Aspinwall, físico teórico, coautor de Greene num trabalho de 1993 sobre como, na teoria das cordas, o espaço pode se rasgar sem catástrofe.
- Witten: Edward Witten, físico teórico americano, um dos principais especialistas em teoria das cordas. É o único físico a ter recebido a Medalha Fields, o prêmio mais alto dos matemáticos. Em 1995, propôs a teoria M.
- Teoria M: Teoria mais profunda, proposta por Edward Witten em 1995, na qual as cinco versões da teoria das cordas podem se revelar casos particulares. Não está totalmente formulada.
- Strominger: Andrew Strominger, físico teórico americano. Em 1996, junto com Cumrun Vafa, calculou com a ajuda da teoria das cordas a entropia de certos buracos negros.
- Vafa: Cumrun Vafa, físico teórico americano de origem iraniana, coautor, com Andrew Strominger, do cálculo da entropia de buracos negros de 1996.
- Bekenstein: Jacob Bekenstein, físico israelense. Em 1972, sugeriu que um buraco negro tem uma entropia que depende da área da sua superfície.
- Superparceiros: Gêmeos pesados hipotéticos das partículas conhecidas, previstos pela supersimetria. Ainda não foram detectados no Grande Colisor de Hádrons.
- Supersimetria: Hipótese segundo a qual cada partícula conhecida tem um parceiro mais pesado. Faz parte da teoria das supercordas, mas não foi confirmada experimentalmente.
- Grande Colisor de Hádrons: O acelerador de partículas mais potente do mundo: um anel subterrâneo de cerca de 27 km sob Genebra, no CERN. Começou a funcionar em 2008, e foi nele que, em 2012, se descobriu o bóson de Higgs.
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