Muito além da Física fundamental

“Os teoremas matemáticos são ‘propriamente’ verdadeiros, descrevendo estruturas lógicas … — cujas propriedades independem do nosso saber.”  (Carnielli/Epstein, ‘Computabilidade lógica/Fundamentos matemáticos’)

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“De Onde vêm o Espaço…e o Tempo?…  Talvez sejamos ignorantes demais para compreender!”comentou David Gross  (Nobel/2004) durante uma palestra na ‘Caltech‘ há 2 semanas atrás.

Quando alguém desse nível se pergunta se a unificação da física estará … – para sempre, além das mentes mortais… nós precisamos ficar bastante preocupados.

Desde essa palestra… venho me interessando por uma teoria que melhor parece confirmar toda a preocupação de Gross. – Ela é tão complicada…que poderia até ser motivo de piada. Mas, ao mesmo tempo…observo o esforço com que pesquisadores vêm tentando, de todas as formas, melhor compreendê-la… Tudo isso se justifica porque, ‘simplesmente’, a teoria promete um novo modo de entender… — a fundo… — como funciona…o espaço e o tempo.

A teoria foi proposta, no final da década de 80, pelos físicos russos Mikhail Vasiliev e Efin Fradkin, do Lebedev Institute/Moscou, mas é tão matematicamente complexa e conceitualmente opaca que, sempre que em alguma reunião de físicos teóricos alguém   toca no assunto…a maioria fica muda, ou começa a falar sobre qualquer outro assunto,       o mais diverso possível.

Apenas há alguns anos, a teoria começou a ser levada a sério… – quando brilhantes matemáticos…daqueles que sentem um prazer peculiar com problemas impossíveis, mergulharam de cabeça, e mostraram que ela é apenas…quase impossível de se compreender.

Inspirado por essa coragem tentarei explicar esse ‘bicho de 7 cabeças, sintetizando palestras que participei…ministradas por Steve Shenker, da Stanford University,     Andy Strominger, de Harvard… e Juan Maldacena /Princeton. Também me utilizarei de conversas informais com Joe Polchinski do Instituto Kavli de Física Teórica, e Joan Simón da University of Edinburgh. Tenho certeza de que eles me corrigirão se errar algo … bem como refletirei a cerca dos comentários que receber.

A Teoria Vasiliev (por brevidade…o nome Fradkin é deixado de lado) leva a extremos uma ideia básica da física moderna, de que ‘o mundo consiste de campos…elétrico e magnético’, e mais alguns outros, refletindo as 4 forças da natureza, e seus tipos peculiares de matéria.

A nova teoria…com efeito – postula um nº infinito de campos resultantes de formas cada vez mais complexas – descritas pela propriedade quântico-mecânica               do spin. (…pensando o spin como sendo um grau de simetria rotacional.)

O campo eletromagnético, e sua partícula associada (fóton) tem spin –1…Se você girá-lo 360 graus… ele fica com a mesma aparência. – Já o campo gravitacional…e sua partícula associada (gráviton)… tem spin –2… — só é preciso girá-lo 180 graus.

As partículas conhecidas da matéria como o elétron, têm spin –1/2: você precisa girá-los 720 graus antes deles voltarem à sua aparência original… – característica contra-intuitiva, que acaba explicando o motivo pelo qual essas partículas resistem ao “aglomeramento“, dando assim, integridade à matéria.

(O campo de Higgs possui spin-0, e tem a mesma                           aparência, independentemente de como você o gira.)

Na teoria Vasiliev há também spin-5/2, spin-3, spin-7/2, spin-4 e assim por diante. Os físicos costumavam acreditar que isso era impossível…O motivo é que esses campos de spin mais alto – por serem mais simétricos – implicariam em novas leis da Natureza análogas às da conservação de energia…e, nenhum par de objetos poderia interagir, sem quebrar uma dessas leis… — A natureza colapsaria, como uma economia super-regulada.

À primeira vista — a teoria das cordas — principal candidata a uma teoria totalmente unificada, entra em conflito com essa ideia.

Uma ‘corda quântica’ elementar, assim como … 1 corda de violão, possui uma infinidade mais alta   de ‘campos de spin’, similar aos mais altos harmônicos. – Estes, entretanto …  —  têm um custo energético… que os faz inertes.

Vasiliev e Fradkin mostraram, que este raciocínio só se aplica, quando a gravidade é insignificante – e… o espaçotempo não é curvo. Em ‘espaços-tempos curvos’… – “campos de spin” elevados podem existir; e então, talvez a ‘super-regulaçãonão seja um ‘monstro’ assim tão feio.

Na verdade — pode até ser uma boa notícia… ‘Campos de spin’ mais altos prometem complementar o  “princípio holográfico” … numa forma de explicar a origem do espaço, do tempo, e da gravidade.

Suponha que você tenha um espaçotempo tridimensional (2 dimensões de espaço + 1 de tempo) preenchido por partículas que só interagem através de uma versão melhorada da força nuclear forte (não há gravidade). Em um ambiente assim, os objetos conseguem se comportar de uma ‘forma bem estruturada’… — Objetos de um dado tamanho só podem interagir com objetos de tamanho comparável – bem como … só interagem se estiverem próximos uns dos outros.

O ‘tamanho’ desempenha o mesmo papel da posição espacial – você pode pensar no tamanho como sendo uma nova ‘dimensão espacial’…materializando-se a partir das interações das partículas – como uma figura em um livro pop-up… O ‘espaçotempo’ tridimensional original…torna-se o limite de um espaçotempo quadridimensional;         com a nova dimensão representando a distância até esse.

Não apenas uma dimensão espacial emerge, mas também a força             da gravidade… — Basicamente… a força nuclear forte no espaço             3D… — corresponde à gravidade… — em um ‘espaçotempo’ 4D.

Um ‘holograma‘ – a propósito… é uma imagem bidimensional que contém todas as informações tridimensionais de um objeto. Assim, podemos considerar o ‘princípio holográfico‘ de 2 maneiras:  1) Nosso universo é um espaço de 4 dimensões, equivalente a algum limite tridimensional;  2) Nosso universo é um ‘limite D4’… que contém a mesma informação de um espaço de 5 dimensões.

No cenário 1, vivemos num espaço dentro do limite, e no cenário 2, estamos na fronteira, refletindo uma ordem superior da realidade que não percebemos diretamente. Ambas as teorias têm profundas implicações sobre a natureza do universo em que vivemos. (‘texto’)

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Como formulado por Maldacena  no final da década de 1990… – o “princípio holográfico descreve um universo maior — dentro do qual a ‘energia escura possui densidade negativa, dobrando o espaçotempo em uma chamada “geometria anti-de Sitter.

Mas, no Universo real, a energia escura possui densidade positiva, para uma geometria de Sitter… ou alguma aproximação dela. – Estender o ‘princípio holográfico’ a uma geometria assim é complicado…O limite de um espaçotempo 4D…de   De Sitter é um espaço 3D que jaz no ‘futuro infinito’. A dimensão emergente nesse caso, não seria de espaço, mas de tempo, o que é difícil entender mesmo para físicos teóricos.

Mas – se for possível formular uma versão do ‘princípio holográfico‘ para uma geometria De Sitter, ela não apenas se aplicaria ao Universo real como também explicaria o que o tempo é realmente.

‘A falta de compreensão do que é o tempo, é a raiz                                               de quase todos os problemas da física hoje em dia’.

É aí que a teoria Vasiliev entra. – Ela funciona tanto em uma geometria anti-De Sitter quanto em uma geometria De Sitter … sendo que, neste último caso, o correspondente limite 3D é governado por uma versão simplificada da força nuclear forte…Ao encarar     o desafio e aceitar a difícil teoria de Vasiliev… os físicos facilitam seu próprio trabalho.

No caso De Sitter, o limite 3D correspondente é governado por um tipo de teoria de campo no qual o tempo não opera — fica estático… A estrutura dessa teoria dá origem à dimensão do tempo. Além disso, este surge de uma maneira ‘inerentemente assimétrica‘, o que pode justificar a unidirecionalidade entrópica da seta do tempo.

Normalmente – o princípio holográfico consegue explicar o surgimento de uma dimensão, deixando as outras sem explicação…Mas, a teoria Vasiliev pode nos dar a coisa toda…Os campos de spin mais altos possuem grau de simetria ainda maior que o campo gravitacional, o que já é muito bom.

            …’Mais simetria significa menos estrutura’.

A ‘teoria da gravidade (…’teoria da relatividade geral de Einstein’) afirma que o espaçotempo é como massa de modelar. A teoria Vasiliev diz que ele é ainda mais modelável, possuindo muito pouca estrutura para realizar até funções mais básicas,           como definir relações de causa e efeito consistentes – ou, manter objetos distantes isolados uns dos outros.

Em outras palavras, a ‘teoria Vasiliev‘ é ainda mais não-linear que a relatividade geral. A matéria e a geometria do espaçotempo estão tão completamente emaranhadas…que se torna impossível separá-las, e a imagem padrão da matéria residindo no espaçotempo se torna completamente indefensável.

No universo primordial, onde a teoria Vasiliev dominava — o Universo era uma bola amorfa. Quando as simetrias de spin mais alto se quebraram…ou… quando os ‘harmônicos’ mais altos … das ‘cordas quânticas’ deixaram de funcionar … — o espaçotempo surgiu em sua completude.

Talvez não surpreenda que esta teoria seja tão complicada. – Qualquer explicação da natureza do espaço e do tempo… deve ser surpreendente…Mas, se por acaso, algum dia a acharem… com o passar do tempo a darão a seus alunos como “lição de casa”.

George Musser | April 12, 2012  ‘Where Do Space and Time Come From?’  **********************(texto complementar)***************************

Existirão Influências escondidas para além do espaçotempo? (out/2012)            A proposta vem de uma equipe internacional de pesquisadores da Suíça… Bélgica, Espanha e Cingapura publicada na revista ‘Nature Physics’. É com base no que os pesquisadores denominaram… – desigualdade por influência oculta’.

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Fora da fronteira, ou as influências não permanecem ocultas, ou há velocidade infinita.

Implicações bizarras da teoria quântica vêm incomodando os físicos… desde que a teoria foi criada, no início do século 20…Ela prevê, por exemplo, comportamento ‘emaranhado’ de partículas – como 2 fótons, agindo como um, mesmo distantes.

Esse tipo de comportamento não-local no espaço e tempo — que parece violar o senso de causa e efeito, Einstein denominou ação fantasmagórica à distância’.

“Meça 1 de um par de átomos entrelaçados, com o seu ‘spin’ magnético apontando para cima, por exemplo, e a prática assegura que o outro pode ser imediatamente encontrado apontando na direção oposta; não importa onde esteja…em Madagascar…Júpiter…ou Andrômeda”.

O senso comum nos diz que tal comportamento coordenado deve resultar de uma das duas providências… a) ser providenciado com antecedência; b) ser sincronizado por algum sinal enviado entre as partículas.

Na década de 1960, John Bell sugeriu o 1º teste (desigualdade de Bell) para verificar se o comportamento de 2 partículas entrelaçadas poderia ter sido feito em acordos prévios. Se as medições violassem a desigualdade – os pares de partículas estariam fazendo o que a teoria quântica prediz; agindo sem quaisquer variáveis locais ocultas dirigindo seu destino.

A partir da década de 80 as experiências sempre têm encontrado violações.

A teoria quântica venceu, era o que parecia. No entanto, os testes das desigualdades de Bell, nunca podem matar, completamente, a esperança do senso comum – que envolve sinais que não violem princípios da relatividade, isto é, cuja informação não ultrapasse       a velocidade da luz… Para isso, seria preciso elaborar uma nova desigualdade capaz de    investigar, diretamente, a função dos sinais.

Experimentos já demonstraram que — se você quiser utilizar a comunicação para explicar esses fenômenos, os sinais teriam de estar viajando mais rápido do que a luz – na verdade, mais de 10 mil vezes a velocidade da luz. Sabendo-se que a relatividade de Einstein define a velocidade da luz como um limite de velocidade universal — a ideia de sinais viajarem 10.000 vezes mais rápido que a luz já faz soar o alarme.

Pode não se tratar apenas de uma teoria mais fundamental,

Pode não se tratar apenas de uma teoria mais fundamental, “por baixo” da Relatividade e da Mecânica Quântica, mas de uma outra realidade, “por baixo” da realidade do nosso próprio Universo.[Imagem: Yasdani Group/Princeton]

No entanto, os físicos têm uma válvula de escape  –  esses sinais podem permanecer como ‘influências ocultas‘, sem utilização prática, e assim, sem violar a relatividade.

A relatividade seria contestada abertamente apenas… no caso dos sinais serem utilizados para uma comunicação superluminar.

Porém, a nova ‘desigualdade por influência oculta’ mostra que o artifício não funciona, quando se trata de previsões quânticas…

Para obter a nova desigualdade (uma medida de emaranhamento entre 4 partículas) foram considerados os  ‘comportamentos possíveis‘ para 4 partículas, conectadas por influências ocultas… à uma velocidade finita arbitrária.

Matematicamente (e assustadoramente), estas restrições definem um objeto de 80 dimensões. Com efeito, a desigualdade testável da influência oculta é o limite da sombra que esta forma 80-dimensional lança … em 44 dimensões. – Os pesquisadores mostraram que as previsões quânticas podem ficar fora desse limite… o que significa que eles estão indo contra um dos pressupostos da teoria…

“Estamos interessados em saber…se podemos explicar os estranhos fenômenos que observamos…sem sacrificar o nosso sentido normal               do que acontece no espaço e tempo. – E, por incrível que pareça, há         uma perspectiva real de efetuar este teste” …  (Jean-Daniel Bancal)

As equipes experimentais já conseguem entrelaçar 4 partículas, portanto, um teste é viável em um futuro próximo (não obstante, a precisão dos experimentos precisará ser acurada para tornar a diferença mensurável). – Tal experimento vai se resumir na medição de um único número. Num ‘universo padrão’, seguindo as leis relativísticas usuais,  7,0 é o limite. Mas, se a natureza se comporta como a física quântica prevê, o resultado pode ir até os 7,3.

E… se o resultado for maior que 7… – em outras palavras… – se a               natureza quântica do mundo for confirmada, o que isso significa? 

Aqui existem 2 escolhas. — Por um lado, há a opção de desafiar   a relatividade — e, descobrir as influências…  —  o que significa aceitar uma comunicação mais rápida do que a luz. Sendo que, a relatividade é uma teoria bem sucedida, da qual não se duvida impunemente. Esta então pode ser considerada para muitos…   a “possibilidade mais remota”.

A opção restante é aceitar que as “influências” devam ser infinitamente rápidas… – ou que existe algum processo, que tenha o mesmo efeito, quando aplicado em nosso espaçotempo. O teste atual não conseguiria distingui-los. De toda forma, isso significaria que o universo é fundamentalmente não-local no sentido de que todos os bits do Universo podem ser conectados a qualquer outro, em qualquer lugar, instantaneamente.

‘Seria o efeito borboleta levado ao extremo, no sentido de que alguma coisa poderia afetar outra – em qualquer parte do Universo…não numa cadeia de acontecimentos sucessivos… – mas… direta, e imediatamente.’

Que tais conexões sejam possíveis desafia nossa intuição cotidiana e representa uma outra solução extrema…mas sem dúvida preferível a uma comunicação mais rápida do que a luz.

Nosso resultado dá força à ideia de que correlações quânticas… de alguma forma, surgem a partir de fora do espaçotempo, no sentido de que nenhum processo no espaço e no tempo pode descrevê-los”… concluiu Nicolas Gisin, da Universidade de Genebra/Suíça. # (texto original) ## (texto traduzido)  ***********************************************************************

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Representação gráfica do núcleo do átomo de rádio 224, que pode ajudar a explicar por que há mais matéria do que antimatéria no Universo e revelar uma 5ª Força Fundamental da natureza. [Imagem: Liam Gaffney/Peter Butler/Universidade de Liverpool]

Uma nova força fundamental?

O que o formato do núcleo de um átomo teria a ver com o início do Universo?… E com a antimatéria? E, com teorias sobre   o próprio átomo?

Na verdade…um núcleo atômico em forma de pera – pode se transformar em uma das descobertas mais importantes da física nos últimos tempos. — Mas, o que pode ser tão interessante nessa “pera atômica“?…

Bem, o núcleo de um átomo é formado por prótons e neutrons – mantidos juntos pela ‘Força Nuclear Forte’… que se contrapõe à repulsão eletrostática, que tende a separar os prótons.

A teoria mais simples diria que os núcleos atômicos são esféricos… mas já se sabia que alguns são ligeiramente alongados, e também já se conhecia um em formato de pera, o rádio 226, descoberto em 1993.

O grande interesse está na necessidade de explicar este formato: como a Força Nuclear Forte e a eletrostática se inter-relacionam no interior do núcleo…para que eles tenham formatos diferentes? Ou será que tudo é ainda mais interessante…e haveria então uma outra força fundamental da natureza agindo no núcleo atômico?

Os físicos já estavam precisando de uma nova força fundamental da natureza que pudesse ajudar explicar a assimetria entre matéria e antimatéria… – O modelo cosmológico do Big Bang estabelece que matéria e antimatéria foram criadas em quantidades iguais no início do Universo…mas, então, onde foi parar toda a antimatéria?

É aí que entra o núcleo atômico em formato de pera…

Não é fácil criar novas teorias estudando uma única pera – no caso, o já conhecido rádio 226. Então, um grupo de pesquisadores usou um espectrômetro no CERN para procurar mais átomos com núcleos com este formato… E agora, eles descobriram que o núcleo do rádio 224 tem o formato perfeito de uma pera.

O experimento também mostrou que o núcleo do átomo de radônio 220 oscila entre uma esfera irregular e uma pera…Os núcleos em forma de pera seriam assimétricos porque os prótons estariam sendo empurrados para longe do centro do núcleo por uma força ainda desconhecida – portanto, as forças nucleares são fundamentalmente diferentes de forças esfericamente simétricas, como a gravidade.

Podendo estudar e comparar as 2 peras, os físicos esperam  –  não apenas descobrir uma nova força fundamental da natureza, como também explicar a assimetria entre matéria e antimatéria no início do Universo…e, desenvolver seus modelos do que seria um ‘átomo’.

Modelos ainda especulativos propõem que alguns núcleos atômicos devam gerar um fraco campo magnético… — Esta hipótese agora poderá ser testada porque … se essa polaridade magnética realmente existe, então os “núcleos tipo pera” deverão apresentar dipolos mais fortes do que núcleos esféricos. – E, como assim concluiu Tim Chupp, cientista da equipe:

O formato de pera é especial… Ele significa que os neutrons e prótons que compõem o núcleo estão em posições ligeiramente diferentes ao longo de um eixo interno. – Assim, como a maçã de Newton mudou nossa concepção do mundo…talvez agora seja a hora       e a vez da pera cumprir seu papel na inauguração de uma Nova Física. (09/05/2013) !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

Interações spi/spin de longo alcance 

Além das 4 forças fundamentais… fraca, forte, gravidade, e eletromagnetismo  — recentes teorias sugerem a possibilidade de uma 5ª força…a qual permitiria que partículas subatômicas se ‘sintam‘ umas     às outras… a enormes distâncias entre si.

São as chamadas interações spin-spin de longo alcance  —  que seriam uma propriedade fundamental dessas partículas… — ‘partículas virtuais’ tão estranhas…           que os próprios físicos costumam chamá-las de “não-partículas” … (unparticles).

Isso significaria que partículas fundamentais… constituintes dos átomos (elétrons, prótons e neutrons) poderiam ‘sentir’ umas às outras…mesmo separadas por longas distâncias.

Existem 3 possibilidades para se estabelecer de onde essa possível nova força vem. A 1ª é uma partícula denominada “não partícula” (unparticle), que se comporta como fótons (partículas de luz) em certas formas… e partículas de matéria, em outras. – A 2ª é uma partícula chamada de Z’, primo mais leve do bóson Z, mediador da força nuclear fraca.

Ambas, a ‘não partícula‘, e a partícula Z’…podem existir a partir de extensões das atuais teorias físicas (Modelo Padrão da Física). A 3ª possibilidade é a de que não há nenhuma nova partícula, mas sim a teoria de relatividade tem algum componente que afeta o spin (momento angular dos elétrons.)

As interações spin-spin mais normais, do tipo ímã de geladeira, são mediadas por fótons e operam apenas em distâncias muito curtas. Interações spin-spin de longo alcance, porém, não parecem diminuir ou enfraquecer com a distância… – E apesar da interpretação atual da interação magnética entre spins de 2 partículas ser dada como troca de ‘fótons virtuais’, há possibilidade de haver outros tipos de partículas mediadoras — além dos fótons — que podem ser trocadas virtualmente entre os spins.

Os resultados para identificar essa partícula, porém… até agora não têm sido conclusivos. O novo experimento entretanto, coloca limites mais rigorosos de quão forte pode ser esta nova força – o que dá aos físicos uma ideia de onde melhor procurá-la.

Partículas têm massa definida… – a menos que sejam fótons, que não têm massa. A massa de um elétron ou próton não pode mudar: se você alterar sua massa (e assim, sua energia), você altera o tipo de partícula que ela é.

Anão partículafoi proposta pela 1ª vez em 2007 pelo físico Howard Georgi, da Harvard University (EUA) como tendo massa e energia variáveis… A interação spin-spin de longo alcance seria uma propriedade fundamental destas partículas.

As novas tentativas não revelaram uma nova partícula ligada à força, mas mostraram que a interação spin-spin de longo alcance precisa ser menor por um fator de 1 milhão do que experiências anteriores haviam sugerido. Se, de fato existir, seria tão pequena que a força gravitacional entre 2 partículas, como 1 elétron e 1 neutron é 1 milhão de vezes mais forte. ‘nucleo-formato-pera’  5ª-forca-fundamental-natureza  Nova-força-fundamental-natureza

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Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979... (s/ diploma)
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