A ‘Teoria Unificada’ de Stephen Hawking

A seguir…um resumo da palestra de Stephen Hawking, em um evento da Fundação Global Knowledge. Na Universidade de Toronto, em 27 de abril de 1998, o Professor de Cambridge, falou para uma platéia ‘enlouquecida’. 

Na minha aula inaugural …    –    como professor Lucasiano de Matemática em Cambridge  –  cujo tema foi…  É o fim à vista para a Física Teórica?  descrevi o progresso que fizemos nos últimos 100  anos na compreensão do universo…  e,  indaguei das chances que teríamos  —  em encontrar uma teoria unificada completa… até o final do século.

Bem… o final do século está chegando – e, embora tenhamos percorrido longo caminho… não parece que estejamos, ainda  –  nem perto desse objetivo.

Nessa palestra, descrevi como tínhamos encaminhado o problema de encontrar uma ‘teoria de tudo’, utilizando ‘partes equacionáveis’…  –  Inicialmente… separamos a descrição do universo que nos envolve em 2 partes.

Uma parte é um conjunto de ‘leis locais‘ — que nos dizem como cada região do universo evolui no tempo – se soubermos seu estado inicial, e como é afetada por outras regiões vizinhas.

A outra parte é o conjunto do que se chama ‘condições de contorno’. Estas especificam o que acontece na borda do espaço, e do tempo. Elas determinam como o universo começa… — e, talvez… como ele termina.

Muitas pessoas, incluindo, provavelmente, a maioria dos físicos, imaginam que a tarefa da física teórica deve limitar-se à primeira parte, a da formulação de leis locais que descrevam como o universo evolui no tempo…Eles consideram que a questão de como o estado inicial é determinado está fora do âmbito da física – pertencendo aos domínios da metafísica, ou da religião… Mas, como sou um racionalista convicto, na minha opinião…

‘as condições de contorno do universo, que determinam seu                      estado inicial, é um assunto tão legítimo para investigação                          científica… como as leis que governam sua evolução‘.

forças fundamentais

As 4 forças fundamentais

No início dos anos 60…  –  as forças conhecidas da física foram divididas em 4 categorias  —  aparentemente, distintas entre si.

A  delas … é a gravitacional, transportada por uma partícula (hipotética) chamada gráviton’.

A gravidade éde longe – a mais fraca das 4 forças, contudo, compensa sua baixa energia com 2 propriedadesA 1ª delas  é… que é universal, ou seja…influencia todas as partículas do universo da mesma forma; todos os corpos… sem exceção, se atraem uns aos outros.  –  A 2ª propriedade é…  poder operar a longas distâncias‘.

Juntas, estas 2 propriedades significam que, as forças gravitacionais entre as partículas de um corpo massivo…  se somam  –  e podem dominar sobre todas as outras forças.

A  categoria…  –  em que as forças foram divididos é a eletromagnética, transportada por uma partícula — que não possui massa — chamada… fóton.

O Eletromagnetismo é um milhão de bilhões, de bilhões, de bilhões, de bilhões de vezes mais poderoso do que a força gravitacional – e…  assim como a gravidade – pode agir a grandes distâncias… No entanto – ao contrário da gravidade – não atua sobre todas as partículas da mesma maneira…  –  Algumas partículas são atraídas… algumas não são afetadas, e outras são repelidas.  

As atrações e repulsões entre as partículas — em 2 corpos — irá anular-se quase exatamente; ao contrário das forças gravitacionais entre partículas, que sempre é  atrativa…

aliens tv

É por isso que se cai em direção à Terra, mas não para um aparelho de televisão (sem considerar sua fantástica atração mental.)

Por outro lado, na escala de moléculas e átomos – restritas a um ‘pequeno’ nº de partículas – as forças eletromagnéticas dominam, totalmente, as gravitacionais.

Enquanto que, na ainda menor escala do núcleo atômico (1 trilionésimo de centímetro), as demais categorias… forças nucleares – fraca e forte – são as dominantes.

Forças & campos

Gravidade e eletromagnetismo são descritas pelas assim chamadas teorias de campo nas quais há um conjunto de números para cada ponto do tempo e espaço,       que determinam as forças gravitacionais ou eletromagnéticas.

Porém, quando comecei a pesquisa, em 1962, acreditava-se que as forças nucleares, fraca e forte não poderiam ser descritas por uma teoria de campo; mas, um novo tipo de teoria de campo foi apresentado por Chen Ning Yang e Robert Mills, mostrando que essa previsão estava errada… – Já em 1967, Abdus Salam e Steven Weinberg demonstraram que uma teoria deste tipo poderia, não só descrever as forças nucleares fracas, mas também unificá-las com a força eletromagnética.

Lembro-me desta teoria de campo sendo tratada com grande desprezo, pela maioria dos físicos de partículas. No entanto, concordava tão bem com experimentos, que o Prêmio Nobel de 1979 foi concedido a Salam, Glashow e Weinberg, por proporem tal teoria unificada. O comitê Nobel fez uma aposta bastante ousada  –  pois a confirmação final     da teoria só veio em 1983, com a descoberta das partículas W e Z.

“O sucesso desencadeou a busca por uma ‘grande teoria unificada’ (GTU)     que pudesse descrever todos os 3 tipos de forças… (não gravitacionais).”

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Grandes teorias unificadas

Esperava-se que uma ‘teoria fundamental’ do universo fosse única  –  sem quaisquer quantidades ajustáveis…

Contudo – a GTU contém cerca de 40 nºs… que não podem ser previstos de antemão… devendo se conformar aos experimentos… (Como então – esses   valores foram pré-escolhidos?…) 

Aliás, pode ser mesmo que não haja nenhuma teoria fundamental única — em vez disso, uma coleção de teorias aparentemente diferentes, cada uma das quais funcionando bem em certas situações, e regiões… Diferentes teorias concordam umas com as outras, onde suas regiões de validade se sobrepõem; podendo, todas assim, nesse caso particular, ser consideradas como diferentes aspectos da mesma teoria – porém, pode não haver uma única formulação de teoria que possa ser aplicada em todas as situações

http://www.guiageografico.net/terra/mundo.htm

A física teórica pode ser como o mapeamento da Terra, pode-se representar, com precisão, uma pequena região de sua superfície, através de um mapa sobre uma folha de papel

Mas — se tentarmos mapear uma região maior, obtém-se distorções devido à curvatura da Terra.

Não é possível representar cada ponto na superfície da Terra, em um único mapa plano. Ao invés disso… – utiliza-se uma coleção de mapas, que concordam nas regiões onde se sobrepõem. Assim, mesmo que encontremos uma ‘teoria unificada completa‘, seja numa única formulação – ou, como uma série de teorias que se sobrepõem… teremos resolvido apenas uma parte do problema.

A teoria unificada vai nos dizer como o Universo evolui no tempo, dado seu estado inicial – mas… a teoria em si, não especifica as condições de contorno na borda do espaço/tempo, que determinam seu estado inicial. (Esta questão é fundamental para a cosmologia.)

Podemos observar o estado atual do universo, e usar as leis da física para entender como deve ter sido em tempos anteriores. Mas tudo o que isso nos diz é que o universo é como   é agora, porque era como era, então. Nós não podemos entender por que o universo é do jeito que está – a menos que a cosmologia se torne uma ciência, no sentido de que possa fazer previsões. E isso requer uma ‘teoria das condições de contorno do universo.

Proposta Sem Fronteiras

Existem várias sugestões para as condições iniciais do universo, tais como as hipóteses de tunelamento, encapsulamento, e o denominado ‘cenário pré-big bang’, da teoria das Cordas… Na minha opinião, a mais elegante é a que Jim Hartle, e eu, denominamos “Proposta Sem Fronteiras”… que pode ser assim definida:

‘a condição de contorno do universo é que ele não tem limites’.

Em outras palavras, espaço e tempo imaginário, juntos, são curvados para trás sobre si, pra formar uma superfície fechada como a superfície da Terra – mas, com + dimensões.

hawking-teoria unificada

(… A superfície da Terra não tem limites.  –  Não há relatos confiáveis de alguém que tenha caído da borda do mundo.)

Contudo, a nossa proposta – assim como as outras teorias, são válidas – apenas, se levarmos em conta as condições de contorno do universo… Para testá-las, temos de calcular as previsões que fazem, e compará-las com novas observações.

No presente momento, as observações não são suficientes para distinguirmos entre os diferentes caminhos; porém, nos próximos anos… podem ajudar a resolver a questão.

O progresso já feito…na unificação da gravidade com as outras forças, tem sido inteiramente teórico… Isto levou a acusações de pessoas, como John Horgan, de que a física teórica estaria morta, porque se tornou apenas um jogo matemático, não relacionado ao experimento; com o que, eu não concordo.

Embora não possamos produzir partículas à ‘energia de Planck’… (a energia em que a gravidade seria unificada com outras forças), há previsões que podem ser testadas em energias mais baixas. O colisor de supercondutividade que estava sendo construído no Texas teria alcançado essas energias, mas foi cancelado quando os EUA passaram por uma crise de pobreza… Assim, teremos de esperar pelo  ‘Large Hadron Collider’ … que está sendo construído em Genebra.

Então, quais seriam, hoje, as perspectivas de uma teoria unificada completa?

Hawking — Em 1980 eu disse que achava que havia uma chance de 50% de encontrarmos uma teoria unificada completa nos próximos 20 anos. É ainda                     a minha estimativa; mas a contagem dos 20 anos começa agora. Daqui a 20                 anos eu estarei de volta para dizer se conseguimos realizar isso. (abril/1998)

http://pt.slideshare.net/dhirajupadhyay/stephen-hawking-theory-of-everything

outros textos: “O Universo do Gênio”  (1988)  Entrevista…”Deus, a Ciência e Eu”  (1993)  “Deus” existe?  (jan/2001) # ‘Tempo termodinâmico regressivo dentro de BNs’ (set/2015)  ##################(texto complementar)##########################

Novos caminhos na teoria de Hawking                                                                            ‘Nem tudo deve ter se perdido, no enorme colapso                                                                          gravitacional criador destes fenômenos cósmicos’.

Stephen Hawking está preparando o mundo científico para um novo desdobramento, em sua teoria sobre buracos negros. Ele agora afirma que, alguma informação pode escapar de seu – não mais inescapável ‘horizonte de evento’. Aliás, a nova teoria de Hawking postula, que buracos negros permitem escapar tanta informação, que estas podem tornar possíveis até cálculos quânticos.

Outros físicos, porém, têm sugerido cenários semelhantes sobre a perda de informação do BN — desafiando a teoria anterior, proposta em 1976, pelo próprio Hawking.

Alegam eles, que a informação pode escapar do buraco negro, através de um processo familiar aos fãs deJornada nas Estrelas’, —  ‘teletransporte quântico.

Com efeito, a ‘mecânica quântica’… —  método da ‘física das partículas infinitesimais’, tais como átomos e quarks — há muito tempo também está nessa disputa; sendo que, suas leis fundamentais dizem que a informação é conservada, e nunca pode ser destruída – nem mesmo por um buraco negro voraz.

Nesse sentido, Seth Lloyd (do MIT) argumenta que os buracos negros       são inocentes da acusação de violarem as leis quânticas — destruindo informação.

Imagine um astronauta com uma calculadora de mão caindo em um buraco negro…  O astronauta executa um cálculo – acrescenta alguns números, talvez. Então, ele recebe     um resultado do funcionamento de seu bit de silício  –  um pedaço da assim chamada “informação clássica”.

Será que os resultados de seu trabalho — a informação que ele produz, sempre escapam   do buraco negro?.. Não, Hawking disse uma vez. Mas sim, diz Lloyd – se a informação é codificada de forma correta – e as condições forem adequadas… Como afirma Lloyd em um novo trabalho inédito… Almost Certain Escape from Black Holes, de 27/07/ 2004:

“Informação clássica… incluindo o resultado de qualquer cálculo computacional – materialmente realizado dentro do buraco negro – certamente escapa dele. — Por         outro lado, alguma informação quântica – na forma de bits quânticos…ou ‘qubits’,           realmente é perdida… mas não muita… – Apenas metade de um bit de informação quântica é perdido, em média, independente do nº de bits que escapam do buraco.”

Sobre a famosa aposta de Hawking a  cerca de sua anterior teoria dos BNs…Lloyd disse:

Quando escrevi meu trabalho, não sabia que Hawking estava prestes a se retratar em sua aposta. Como ele não adicionou qualquer explicação, não sei se o seu mecanismo é semelhante ao meu. – As vagas descrições disponíveis na Web sugerem que podem ser diferentes – mas, não há nenhuma forma de saber… até que se conheçam os detalhes.”

Tão ‘consistente‘ é a informação que escapa de um buraco negro – afirma Lloyd…que com ela, algum dia, poderão até ser feitos complicados cálculos quânticos…E ainda argumenta:

“Se tudo o que se quer é uma resposta computacional sim/não – ou seja, um bit clássico; então, o buraco negro, de certo, pode dar esta resposta. A fidelidade de transferência da informação quântica – nesse caso, é melhor do que a necessária, para uma computação quântica estável.”

Enquanto Hawking pode, de fato, ter se enganado sobre o apetite de um mediano buraco no espaço, Lloyd porém, adverte que… – “Nesse momento, ainda seria muito prematuro saltar para dentro de um buraco negro.” Mike Martin – July 15, 2004 (Sci.tech-Today)

Hawking pode criar Teoria Quântica da Gravitação (15 /07/2004)                           O que o físico Stephen Hawking vai apresentar – numa conferência internacional na Irlanda, pode ser o embrião de uma Teoria Quântica da Gravitação – o “Santo Graal da física teórica”, segundo o professor Elcio Abdalla, do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (USP).

Hawking fez um pedido de última hora, para falar na Conferência Internacional sobre Gravitação e Relatividade Geral, em Dublin, dizendo ter resolvido o chamado Paradoxo dos Buracos Negros. Em síntese, o paradoxo está na tese de que o campo gravitacional     de um buraco negro é tão intenso que a física quântica não pode ser aplicada a ele.

teoria-buracos-negros

Pelo modelo clássico, os buracos negros são objetos formados a partir de estrelas colapsadas, em que a força gravitacional é tão grande que nada, nem mesmo a luz, consegue escapar de dentro deles.  –  Em 1976, contudo, Hawking propôs, que um buraco negro, uma vez formado, começa a perder massa e emitir radiação…  —  a assim chamada  Radiação de Hawking.

Apesar disso, ele defendeu que essa radiação não contém nenhuma informação sobre o que está dentro do buraco. Ou seja, tudo o que é engolido pelo buraco negro… seja uma estrela, um planeta ou um grão de areia, seria perdido para sempre e não haveria como recuperar nenhuma informação de dentro dele.

Mas isso é incompatível com as leis da mecânica quântica, segundo a qual, as evidências sobre algo que existiu nunca podem ser apagadas, no total. Daí o argumento de Hawking, de que o campo gravitacional de um buraco negro é tão intenso, que a física quântica não pode ser aplicada a ele.

E o paradoxo intrigou cientistas do mundo inteiro até hoje…  Mas,  uma vez que o buraco negro emite radiação, talvez isso possa dar alguma pista sobre o que se passa dentro dele.

– texto base –  outra fonte: Hawking reformula sua teoria sobre os buracos negros  *****************************************************************************

Buracos negros sem horizonte de eventos  (29/01/2014)                                               “A ausência de um horizonte de eventos significa que não existem                                              BNs… no sentido de que a luz não pode escapar para o infinito.” 

A divergência entre ‘mecânica quântica’ e ‘relatividade geral’ é particularmente visível,   nas discussões sobre viagens no tempo. Entretanto, para entender melhor tudo isso, é necessário voltar a 1974 — quando Stephen Hawking aplicou a mecânica quântica aos buracos negros, provocando um desentendimento entre os físicos… que dura até hoje.

A ‘mecânica quântica’ não se dá bem com a outra grande teoria da física,     a ‘relatividade geral’ – tornando difícil explicar situações em que ambas   são relevantes – como é o caso dos buracos negros.

Ao aplicar a teoria quântica aos buracos negros, Hawking defendeu que eles não são realmente negros, pois devem emitir pequenas quantidades de radiação, levando-os           a diminuir… e, eventualmente, até a morrer… desaparecendo.

Mas, a ‘física quântica‘ afirma que as informações sobre a matéria… – aquela que teria formado, ou caído no buraco negro, nunca são destruídas… É o chamado ‘paradoxo da informação‘… agora resolvido – com a permissão que a informação também escape do buraco negro  —  conforme este vai se evaporando  —  emitindo…a agora chamada…radiação de Hawking(elaborada em 2004).

Paradoxo do firewall

Enquanto isso, o grupo de J. Polchinskida Universidade de Santa Barbara/Califórnia, aproveitou… para colocar no circuito um novo paradoxo…   — o do firewall.

Se as informações podem escapar do buraco negro, conforme permite a física quântica, então isso pode gerar uma quantidade de energia absurda — capaz de criar uma ‘barreira de fogo’ no horizonte de eventos, que vai consumir – de imediato – qualquer coisa que cair dentro do buraco negro…  ao cruzá-la.

O problema é que isso quebra uma regra da relatividade geral, que diz que atravessar o horizonte de eventos de um buraco negro deve ser monótono, quase imperceptível… – daí o paradoxo.

De novo…temos a relatividade geral contra a mecânica quântica, em um paradoxo entre as 2 teorias. Aliás, recentemente, outra equipe misturou ainda mais as coisas,         usando o entrelaçamento quântico para conectar buracos com buracos de minhoca.   

Agora, Hawking entra novamente no páreo – e diz que a solução para o paradoxo consiste em abrir mão daquilo que parece ser a marca registrada dos buracos negros – o ‘horizonte de eventos. — Não ter horizonte de eventos significa que seria possível escapar de um BN, ainda que  —  para isso… eventualmente… seja necessário viajar àvelocidade da luz‘.

Na verdade significa mais, significa que, de certa forma, os buracos negros perdem sua característica mais singular, se descaracterizam… — Hawking, em seu curto artigo de 2 páginas   apenas com argumentos – sem qualquer matemática… sugere que os buracos negros passem a ter horizontes aparentes‘ … (superfícies que podem aprisionar a luz, mas que variam em forma devido à flutuações quânticas)…possibilitando assim, que         a luz escape. 

hawking

A ideia de um ‘horizonte aparente‘ não é completamente nova, e já havia sido aventada, pelo próprio Hawking, em conjunto com Roger Penrose…da Universidade de Oxford.

Ainda não está claro se os 2 horizontes (o de eventos, e o aparente) são de fato diferentes. Pela relatividade geral, os 2 horizontes são realmente idênticos. Porém, usando a mecânica quântica, Hawking agora propõe que eles são diferentes…

Será que entramos agora na era do paradoxo dos horizontes? Ou será     que alguma ideia nova ainda pode escapar desse embate?‘texto base’

p/consulta: ‘Medindo horizonte de eventos’ (set/2012) # ‘BNs geradores de hologramas’  (jun/2015) # ‘Nova lei diz que o tempo termodinâmico retroage dentro de BNs’ (set/2015)

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Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979... (s/ diploma)
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Uma resposta para A ‘Teoria Unificada’ de Stephen Hawking

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