A teoria das cordas propõe unificar toda a física, unindo a teoria da relatividade e a teoria quântica em uma única estrutura matemática. Como candidata à chamada “Teoria de Tudo”, a Teoria das Cordas visa abordar vários enigmas teóricos; o mais fundamental é como a gravidade funciona para objetos minúsculos como elétrons e fótons.
O problema dos grávitons
A relatividade geral descreve a gravidade como uma reação de grandes objetos, como planetas, por exemplo. No entanto, os físicos teóricos pensam que a gravidade deve se comportar mais como magnetismo: os imãs de geladeira ficam presos porque suas partículas estão trocando fótons com partículas de geladeira.
Das quatro forças da natureza, apenas a gravidade carece dessa descrição da perspectiva de pequenas partículas. Os teóricos podem prever como deve ser uma partícula gravitacional, mas quando tentam calcular o que acontece quando dois “grávitons” se chocam, eles recebem uma quantidade infinita de energia compactada em um espaço pequeno – um sinal claro de que está faltando algo na matemática.
Cordas: um novo padrão
Uma solução possível, que os teóricos emprestaram dos físicos nucleares na década de 1970, é livrar-se das problemáticas partículas de grávitons pontuais. Cordas, e apenas cordas, podem colidir e se recuperar, sem implicar infinitos fisicamente impossíveis.
A teoria das cordas vira a página na descrição padrão do universo. Substituindo todas as partículas de matéria e força, apenas um elemento: minúsculas cordas vibratórias que torcem e giram de maneira complexa que, da nossa perspectiva, parecem partículas. Uma corda de um determinado comprimento, atingindo uma nota específica, ganha as propriedades de um fóton, e outra corda dobrada e vibrando com uma frequência diferente, desempenha o papel de um quark, e assim por diante.
Além de domar a gravidade, a estrutura se mostrou atraente por seu potencial de explicar as chamadas constantes fundamentais, como a massa do elétron. O próximo passo é encontrar o caminho certo para descrever a dobragem e o movimento das cordas.
Enigma das dimensões
Essa simplicidade inicial, acabou por custar uma complexidade inesperada. A matemática das cordas não funcionava nas quatro dimensões familiares (três de espaço e uma de tempo). Seriam precisos seis dimensões adicionais (para um total de 10) visíveis apenas para as pequenas cordas.
Além do enigma 10 dimensões, os físicos haviam apresentado cinco teorias conflitantes sobre cordas em meados da década de 1980. A teoria de tudo foi fraturada. No entanto, durante a década seguinte, os cientistas que exploravam as relações entre as cinco teorias começaram a encontrar conexões inesperadas.
Teoria M
Estudiosos argumentaram que as cinco teorias de cordas representam uma aproximação de uma teoria tridimensional mais fundamental em uma situação específica; da mesma forma que as teorias da relatividade de Einstein, que dobram o espaço e o tempo, correspondem à descrição de Newton de objetos que se movem a velocidades normais.
A nova teoria é chamada de teoria M, embora até hoje ninguém saiba que forma matemática ela pode assumir. O “M” provavelmente é inspirado por objetos de maior dimensão, chamados membranas; mas como a teoria não possui equações matemáticas concretas, o “M” continua sendo um espaço reservado sem significado oficial.
Tentativas de encontrar equações gerais que funcionassem em todas as situações possíveis fizeram pouco progresso. Porém a suposta existência da teoria fundamental, deu aos teóricos o entendimento e a confiança necessários para desenvolver técnicas matemáticas para as cinco versões da teoria das cordas e aplicá-las no contexto certo.
Entropia
As cordas são pequenas demais para serem detectadas com qualquer tecnologia concebível. Ainda assim, um sucesso teórico inicial foi a capacidade de descrever a entropia dos buracos negros em 1996. Entropia refere-se ao número de maneiras pelas quais você pode organizar as partes de um sistema. Porém, sem poder ver as profundezas impenetráveis de um buraco negro, ninguém sabe que tipo de partículas pode estar dentro ou que arranjos podem ser tomadas.
No entanto, no início dos anos 70, Stephen Hawking e outros mostraram como calcular a entropia, sugerindo que os buracos negros têm algum tipo de estrutura interna. A maioria das tentativas de descrever a composição do buraco negro é insuficiente, mas tornou-se possível calcular as configurações de sequências hipotéticas com a teoria das cordas.
Contudo, a estrutura de cordas ainda enfrenta muitos desafios: ela produz um número impossível de maneiras de dobrar as dimensões extras que parecem se encaixar nos amplos recursos do Modelo Padrão da física de partículas, com pouca esperança de distinguir qual é a correta. Além disso, todos esses modelos se baseiam em uma equivalência entre partículas de força e partículas de matéria, chamadas supersimetria, que, como as dimensões extras, não observamos em nosso mundo. Os modelos também não parecem descrever um universo em expansão.
A teoria das cordas conecta pontos matemáticos
Independentemente de como a candidatura da Teoria de Tudo da teoria das cordas evolua, seu legado como um programa de pesquisa produtivo pode ser garantido apenas por mérito matemático.
Cientistas destacaram conexões chamadas dualidades. Uma dualidade é um relacionamento abstrato e matemático entre duas situações que parecem diferentes, mas podem ser traduzidas de uma para a outra. Considere, por exemplo, um holograma de pássaro no cartão de crédito. É 2D ou 3D? No sentido físico, o adesivo é plano, mas, no sentido visual, a imagem tem profundidade. Ambas as descrições concordam que o holograma contém um pássaro.
Os físicos usaram dualidades análogas para unir ramos aparentemente não relacionados da matemática, como geometria e teoria dos números. Cada um opera como que com um idioma separado, mas as dualidades permitem que os matemáticos se traduzam de um para o outro, atacando problemas insustentáveis em uma estrutura, usando cálculos feitos na outra.
Embora ainda distante de uma solução, a teoria das cordas ainda pode evoluir para uma teoria física completa, continuando sendo um campo produtivo de pesquisa.
