é a ideia mais revolucionária da física depois da relatividade e da teoria quântica. Mas ela é verdadeira?

Artigo por Prof..Eduardo WITTEN (1987)

De Isaac Newton a Albert Einstein e Niels Bohr, os luminares da física teórica tentaram encontrar conexões entre as forças fundamentais da natureza. Hoje, Edward Witten é um dos principais proponentes de uma das soluções prováveis ​​mais promissoras - e controversas - para este problema, a Teoria das Cordas, uma representação matemática de um universo construído não de partículas de matéria semelhantes a bolas de bilhar, mas de minúsculas cordas circulares. vibrando em dez dimensões.

Se estiver correta, esta teoria tem o potencial de fornecer uma explicação única e consistente para tudo no universo, desde os mecanismos dentro do átomo até a estrutura do cosmos. Mas pode levar uma vida inteira até que os cientistas inventem os meios para testar esta teoria.

No presente artigo, K.C. Cole pinta o retrato de um físico extremamente talentoso que trabalha nas fronteiras da matemática e da física. <<Este extreme de important să crezi în ceea ce faci<<,girou Edward Witten. <<Totuși, e greu să-ți păstrezi credința când totul este atât de speculativ.

Uma das lições que você aprende é não desistir de boas ideias – mas como saber se elas são boas?

K.C. Cole publicou vários artigos na Omni e na The New York Times Magazine e é o autor do volume intitulado "Sympathetic Vibration: Reflection on Physics as a Gay of Life".

Recentemente, conduziu um estudo encomendado pela Associação de Centros de Ciência-Tecnologia e centrado no trabalho de mulheres e membros de minorias étnicas no campo da ciência.

Caminhando pela sala com passos largos e seguros, ele dá sua palestra como um maestro, o ra-ta-ta-ta do giz na lousa soando como um contraponto à sua voz aguda e às vezes quase imperceptível. Ele fala sobre «feixes vetoriais», «módulos triviais» e «espaços circulares livres». A certa altura ele para e diz o seguinte: “Vivemos num mundo de dimensões finitas até agora. E agora convido-vos a voar num mundo de dimensões infinitas».

O professor é Eduard Witten, do Instituto de Estudos Avançados de Princeton (Nova Jersey).

Aos 36 anos, Witten está entre os físicos contemporâneos mais proeminentes. Atualmente está em Nova Iorque para dar uma palestra na Faculdade de Matemática da Universidade de Columbia sobre as aplicações da física à matemática «!» A matemática “uma disciplina que lida com relações abstratas e intangíveis” sempre foi uma ferramenta útil na física “uma disciplina que trata das forças e objetos concretos do mundo real”. Witten virou tudo de cabeça para baixo, tentando demonstrar como a física pode facilitar novos insights sobre a matemática.

“Não é desejável apressar-se a fazer comparações com Einstein”, diz um dos membros do corpo docente da Faculdade de Física da Universidade de Princeton, “mas quando se trata de Witten” os seus braços abrem-se num gesto de desamparo. "Ele está cabeça e ombros acima de todos os outros. Guiou grupos inteiros de pessoas por novos caminhos, criou campos totalmente novos. Apresenta provas elegantes, formidáveis, que deixam as pessoas sem palavras, que despertam nelas sentimentos de admiração avassaladores».

Witten parece estar constantemente em toda parte, publicando relatórios científicos e dando palestras sobre cosmologia, matemática e vários aspectos da física. Sempre que ele fala, os físicos ouvem com muita atenção.

A atenção deles provavelmente nunca foi maior do que há alguns anos, quando Witten tentou lidar seriamente com uma teoria aparentemente bizarra e há muito esquecida que muda radicalmente a nossa concepção do universal físico. Embora seja difícil identificar qualquer contribuição que tenha feito de Witten uma força tão grande na física, a sua paixão por esta teoria controversa faz dele o principal promotor daquele que pode ser o conceito mais revolucionário surgido na física nas últimas 5 décadas – como revolucionário, Witten afirmações, como a relatividade e a teoria quântica.

Se esta teoria estiver correta (e Witten acredita que a sua validade provavelmente acabará por ser provada), poderá fornecer respostas inteiramente novas às questões fundamentais que filósofos, poetas e teólogos têm colocado desde os primórdios da civilização humana: Porque é que o universo é tão é e qual é a origem da matéria?

"Teoria das Cordas" , ou "teoria das cordas", como geralmente é chamada (alguns estudiosos a chamam de "teoria das cordas"), elimina a conhecida imagem de um universo feito de partículas como bolas de bilhar, repelidas e atraídas por forças conhecidas como a gravidade e a eletricidade. A teoria quântica já havia revelado, na terceira década do século atual, que as bolas de bilhar têm certas propriedades estranhas que as fazem assemelhar-se a ondas – são vibrações e não pontos definidos no espaço. Agora, a teoria das cordas assume que esses pontos são na verdade pequenos círculos ou "cordas" fechadas. As cordas vibram invisivelmente em ressonâncias sutis. Segundo a teoria, essas vibrações constroem tudo o que existe no universo – da luz aos vaga-lumes, da gravidade ao ouro.

É claro que esses cordões não são visíveis, nem podem ser comparados a ligas ou pedaços de barbante. Como não podem ser detectadas por nenhum dos meios disponíveis hoje para a ciência, são curvas matemáticas. Falar de cordas, como falar de bolas de bilhar ou de ondas, é uma forma simples de tentar compreender o desconhecido em termos conhecidos. A verdade é que a física sempre teve que recorrer a metáforas. “Quando se trata de átomos”, disse certa vez o físico dinamarquês Niels Bohr, o pai da teoria quântica, “a linguagem pode ser usada na poesia. O poeta está muito mais interessado em criar imagens do que em descrever realidades”.

Os físicos desmembraram o átomo e descobriram, primeiro, elétrons, prótons e nêutrons, e depois, elementos mais exóticos, como neutrinos e os chamados quarks. Eles descobriram como a força nuclear, a gravidade e a força eletromagnética constroem moléculas e galáxias a partir dessas partículas. Mas, entre outras coisas, ninguém sabe por que existem elétrons ou por que as partículas são influenciadas pela gravidade. De acordo com os seus adeptos, a teoria das cordas tem o potencial de fornecer uma explicação única e consistente para absolutamente tudo, desde os mecanismos internos do átomo único até à estrutura do cosmos.

Infelizmente, a teoria das cordas contém o que alguns cientistas consideram uma falha grave. A consistência matemática que o torna tão convincente só é relevante se estivermos dispostos a suspender a nossa visão de que o mundo físico é definido por quatro dimensões bem conhecidas (altura, comprimento, largura e tempo) e assumir a existência de outras seis dimensões ocultas. —então, dez tamanhos no total.

Imagine uma corda fechada – um círculo – de matéria fundamental de um tipo ou de outro.

Então imagine que o círculo gira, gira e vibra não apenas nas três dimensões espaciais usuais (mais a dimensão temporal), mas também em seis outras dimensões que não podemos perceber.

O círculo vibra em inúmeras tonalidades, como uma corda de violino decadimensional emitindo versões cósmicas de lá ou mi bemol. Se a teoria das cordas estiver correta, essas vibrações podem determinar todas as partículas e forças possíveis no universo.

Se você pedir a ele uma explicação mais clara, Witten sorri e dá de ombros. “Ninguém entende isso muito melhor do que a maneira como expliquei para você agora”, diz ele.

Um sistema de dez dimensões não incomoda Witten: "Essas dimensões adicionais não são mais estranhas do que muitas outras coisas em que os físicos pensam." No entanto, a noção de um universo decadimensional e a ausência de quaisquer dados experimentais que pudessem fornecer evidências nesse sentido fizeram com que muitos físicos adotassem uma posição muito cética.

Obviamente, a teoria das cordas tem muito a explicar. Por exemplo, ela terá de explicar como as seis dimensões adicionais permanecem invisíveis. Os adeptos desta teoria imaginam estas dimensões como firmemente "embrulhadas" em escalas milhares de milhões de vezes mais pequenas do que as do núcleo de um átomo. No entanto, eles não sabem por que ou quando as seis dimensões foram encerradas. Alguns destes cientistas pensam que é simplesmente possível que não tenham se expandido há milhares de milhões de anos com o resto do universo físico.

Tais dúvidas não diminuem de forma alguma a convicção de Witten. “É bem possível que a compreensão adequada da teoria das cordas leve à dissolução da continuidade tempo-espaço”, diz ele. “Afinal, a teoria das cordas é um milagre”.

Witten começou a receber cátedras universitárias apenas alguns anos depois de se formar na Universidade de Princeton, onde foi contratado como professor aos 28 anos. Ele foi homenageado com muitos prêmios de instituições de todo o mundo, incluindo uma "bolsa genial" da Fundação MacArthur e, recentemente, o prêmio Outstanding Young Researcher Award da National Science Foundation.

Na física, o esforço para encontrar uma explicação definitiva sempre foi evidente inúmeras vezes, a física deu um passo à frente com a descoberta de que fenômenos aparentemente diferentes eram na verdade aspectos de um único fenômeno. A grande descoberta de Newton, por exemplo, foi que a mesma força que fez com que a maçã caísse no chão fez com que a Lua mantivesse a sua órbita terrestre e a Terra mantivesse a sua órbita solar. Durante muito tempo existiu a opinião de que não havia ligação entre magnetismo, eletricidade e luz, até que, no século XIX, James Clark Maxwell e Michael Faraday descobriram que todos eram manifestações do eletromagnetismo. A teoria da relatividade surgiu do esforço de Einstein para conciliar o eletromagnetismo com a mecânica clássica.

Recentemente, os físicos estão obcecados em tentar unificar as forças fundamentais da natureza - a gravidade, o eletromagnetismo, a força "forte" (aquela força que garante a coesão das partículas no núcleo de um átomo) e a força "fraca" (que determina , entre outras coisas, a radioatividade, a desintegração espontânea do núcleo atômico resultando na emissão de energia) - ou para descobrir as conexões entre eles.

O eletromagnetismo, as forças fortes e fracas e todas as partículas conhecidas como presentes no universo podem ser explicadas de acordo com a teoria quântica, algo que Witten qualifica como “mágica”. Esta teoria criou todo um campo de pesquisa científica no qual o próprio Witten fez uma série de contribuições importantes. Segundo a teoria quântica, tudo resulta das interações dos campos de energia. Os campos vibram, mas não apenas em certos padrões ou ressonâncias que correspondem a certas quantidades (daí o termo “quanta”) de energia. Essas ressonâncias são as partículas e forças conhecidas do universo natural, na verdade os físicos, que usam aceleradores gigantes para esmagar átomos e encontrar as partículas que os compõem, às vezes chamam seu trabalho de “caça à ressonância”.

A teoria quântica conseguiu esclarecer muitos fenômenos e levou à compreensão dos processos subatômicos, fato que resultou na produção de muitas maravilhas, desde lasers até semicondutores. No entanto, a teoria quântica não pode explicar a gravidade. Cálculos matemáticos que tentam incorporar a gravidade neste quadro teórico dão resultados inutilizáveis.

Porém, a gravidade interage com todos os tipos de energia presentes no universo, até mesmo um raio de luz é influenciado por ela. Portanto, a gravidade deve obedecer às mesmas leis da natureza. Mas quais são essas leis?

Einstein tentou por muito tempo fazer uma conexão entre a gravidade e o eletromagnetismo para que ainda pudesse explicar todo o sistema da natureza dentro de uma única "teoria unificada". Ele não conseguiu fazer isso. Em 1919, porém, Einstein recebeu uma carta de um físico de origem alemã, um certo Theodor F.E. Kaluza, que acreditava que o eletromagnetismo poderia ser entendido como uma manifestação da gravidade na quinta dimensão. Kaluza não explica por que a quinta dimensão não pôde ser percebida. Em 1926, porém, um matemático sueco, Oskar Klein, presumiu que isto se devia ao facto de a quinta dimensão existir numa escala tão pequena que não influencia nada, nem mesmo o tamanho de uma partícula subatómica.

Ta teoria das cordas é uma versão nova e muito mais complexa da teoria Kaluza-Klein. Tal como a quinta dimensão postulada por Klein, as seis dimensões adicionais postuladas pela teoria das cordas "contraíram-se", de alguma forma, ao ponto da invisibilidade. A teoria das cordas afirma que, se aceitarmos a noção destas seis dimensões ocultas, as inconsistências matemáticas que impediram tentativas anteriores de reconciliar a teoria quântica com a gravidade desaparecerão milagrosamente.

No entanto, não podemos ter certeza de que a teoria das cordas seja uma representação verdadeira da realidade. Exceto pela consistência matemática, não há evidências da existência das seis dimensões adicionais. Witten observa, no entanto, que ao longo dos últimos cem anos, a consistência matemática tem sido “um dos guias mais confiáveis ​​dos físicos”.

Até certo ponto, o mundo do teórico é, por definição, um mundo pessoal. O trabalho não requer tubos de ensaio ou laboratórios, cíclotrons ou computadores eletrônicos de alta capacidade, nada além de lápis e papel, e às vezes nem isso. Embora os alunos de Witten incluam alguns que estão fazendo pós-graduação, ele hesita em envolvê-los em seus projetos nos quais a especulação acadêmica desempenha um papel importante, porque, diz ele, não quer comprometer seus futuros profissionais.

Ao ouvir Witten falar sobre sua própria carreira, você pode estar convencido de que se tornar um físico é quase comum. Embora seu pai, Louis Witten, seja um físico especializado no estudo da gravidade, ele diz que não foi muito influenciado pela família. “Eu estava prestes a fazer outra coisa”, explica ele.

Witten cresceu em Baltimore e se formou em história pela Brandeis University, em Massachusetts, embora seu interesse principal fosse linguística. Antes de iniciar seus estudos de pós-graduação em Princeton, Witten escreveu artigos publicados na A Nação, A Nova República e outras revistas. Em 1972, trabalhou durante seis meses na campanha do candidato presidencial George McGovern como assistente legislativo de um de seus conselheiros. Witten afirma hoje não possuir as qualidades exigidas para uma carreira na publicidade ou na política, principalmente o “senso de realidade”. Quando iniciou seus estudos na Universidade de Princeton, esteve muito perto de escolher a matemática antes de decidir pela física.

Os colegas de Witten são muito mais generosos consigo mesmo no que diz respeito aos seus méritos, especialmente à sua contribuição para a atenção que a teoria das cordas desfruta hoje.

Os físicos não tentaram desenvolver esta teoria, nem prestaram muita atenção à teoria de Kaluza-Klein. O que aconteceu foi que eles tropeçaram nele no escuro e depois tentaram incessantemente dar-lhe uma forma precisa. “Não creio que nenhum físico teria sido perspicaz o suficiente para inventar a teoria das cordas de propósito”, diz Witten. “Felizmente foi inventado por acidente”.

Em 1968, um físico italiano, Gabriele Veneziano, estava fazendo estudos sobre a força forte (o ligante que une as partículas do núcleo atômico) e simplesmente se deparou com o que Witten chama de “uma fórmula que tinha algumas propriedades estranhas”. Alguns anos depois, graças à pesquisa feita por Yoichiro Nambu, da Universidade de Chicago e outros, os físicos “perceberam que aquela fórmula bizarra definia as vibrações de algumas cordas”.

Durante vários anos, a teoria das cordas atraiu muito interesse. Em meados da última década, contudo, tinha sido largamente abandonada, em parte porque outras vias de pensamento pareciam mais promissoras e em parte devido à falácia de que esta teoria implicava a ideia inaceitável de dimensões adicionais.

“Quando perceberam que isso só era plausível em uma estrutura de 10 dimensões”, diz Witten, “a maioria dos físicos deixou o campo”. Seu próprio interesse nesta teoria foi despertado principalmente pela pesquisa feita pelos físicos John H. Schwarz de no Instituto de Tecnologia da Califórnia e Michael B. Green de Colégio Rainha Maria de Londres. Witten lembra que o esforço para se informar sobre essa teoria lhe custou “vários meses de trabalho duro”. “Era diferente de tudo que alguém já tinha visto antes”, acrescentou. “Não há ninguém para te encorajar.”

Parece que o interesse pela teoria das cordas foi reavivado por uma série de relatórios publicados por Schwarz e Green no início da década atual. Em 1984, publicaram um importante relatório que, segundo o ganhador do Nobel, o físico Steven Weinberg, da Universidade do Texas, respondeu a uma pergunta que também havia sido feita por Witten.

A questão referia-se às anomalias que apareciam nas teorias que tentavam unir a gravidade com a teoria quântica de campos. No caso de uma teoria as anomalias são falhas que geram resultados absurdos que aniquilam a teoria, Witten assim como Luis Alvarez-Gaumé da Universidade de Harvard descobriu uma nova classe de anomalias. Ao mesmo tempo, ele demonstrou uma coisa ainda mais importante (...)

A teoria das cordas pressupõe que, se pudéssemos ver o universo na sua totalidade de dez dimensões, surgiria uma nova simetria e todas as forças e partículas apareceriam para nós como facetas de um único todo coerente.

camada que a origem das anomalias era topológica, ou seja, estava relacionada a propriedades geométricas que não aparecem na presença de quatro dimensões, mas aparecem na presença de dez dimensões.

Witten considera a topologia, que estuda as propriedades de figuras geométricas distorcidas ou deformadas em diferentes dimensões, como “tecido mental”. A ideia de que a topologia possa ser desconhecida dos especialistas causa-lhe espanto. “É como dizer que eles não sabem falar em prosa”, diz ele, pegando emprestada uma piada de Ia Molière. Uma xícara torcida, por exemplo, é o equivalente topológico de um bagel. Se a xícara fosse feita de argila macia, ela poderia ser remodelada em um pretzel sem quebrar o material. “É tão óbvio”, diz Witten. "Existem propriedades de objetos que mudam quando você os quebra, mas elas não mudam quando você altera a forma dos objetos dobrando-os." Ele admite, no entanto, que nem mesmo os físicos levaram a topologia a sério no passado."

Witten atribui grande importância à topologia porque a questão de saber se o mundo real pode ser explicado pela teoria das cordas depende não apenas da existência de dimensões adicionais, mas também das formas que elas assumem no espaço – sejam elas, digamos, a forma de tubos. , ou bagels , ou se forem esferas.

Em Flatland, o famoso escritor vitoriano de ficção científica Edwin Abbott demonstra eloquentemente que o que parece confuso e obscuro em uma dimensão pode se tornar cristalino em outra. Em seu mundo hipotético de triângulos e quadrados bidimensionais, uma esfera tridimensional era um objeto incompreensível. Ao atravessar esse espaço plano, a esfera apareceu pela primeira vez como um ponto. depois, como um círculo cada vez maior, e finalmente contraiu-se novamente na forma de um ponto e desapareceu. Uma criatura bidimensional só pode ver uma fatia bidimensional de uma esfera por vez. Somente um observador tridimensional pode perceber visualmente a esfera como um todo.

A teoria das cordas pressupõe que se pudéssemos ver o universo como um conjunto decadimensional, surgiria uma nova simetria e a confusa multidão de forças e partículas provaria ser apenas diferentes facetas do mesmo todo coerente.

Infelizmente, esta simetria atraente inerente ao espaço de dez dimensões não é facilmente traduzida em partículas e forças quadridimensionais. Sua percepção requer ferramentas matemáticas incrivelmente sutis, ferramentas que provavelmente ainda não foram inventadas.

Há alguns anos, Witten conversou com um colega e essa discussão o impressionou profundamente. “ELE estava falando de um físico muito talentoso que não era tão produtivo quanto poderia”, explica Witten. “E a sua opinião era que a razão era que o físico em questão nunca trabalhou nos tipos de problemas para os quais ele era realmente o homem certo” Witten levou muito a sério o conselho implícito na observação do seu colega. EI considera-se o homem certo para “pegar num problema de física e encontrar uma solução baseada em algumas operações matemáticas bizarras”. "A teoria das cordas", continua ele, "exigirá uma grande quantidade de matemática nova — e a aplicação de matemática bizarra à física é minha especialidade." Nos últimos! anos.

Witten afirmou ser um dos protagonistas de uma nova aliança entre físicos e matemáticos, uma aliança forjada pela teoria das cordas. “Eu, pelo menos, considero-o o protagonista número um”, diz I.M. Singer, professor de matemática no Instituto de Tecnologia de Massachusetts "Sua intuição é fantástica." O próprio Witten considera algumas de suas contribuições mais importantes como contribuições para a matemática, e não para a física.

A maioria dos grandes avanços feitos pelo homem na compreensão do universo deveu-se às estreitas ligações entre a física e a matemática. Newton teve que inventar um novo tipo de matemática – cálculo diferencial e integral – para completar sua teoria da gravidade. A teoria da relatividade geral de Einstein foi baseada em uma geometria do espaço curvo inventada pelo matemático alemão F.B. Riemann em meados do século XIX. A teoria quântica exigia uma ferramenta chamada “análise funcional”.

Witten diz que a teoria das cordas “nos leva às fronteiras da matemática”. No entanto, isso não os intimida. "Percebi que poderia realmente mudar tudo." ele acrescenta, e obter com a ajuda da física alguns insights surpreendentes sobre a matemática".

O novo casamento entre física e matemática tornou a física realmente difícil para Witten pela primeira vez. Este é um dos motivos que o levou a aceitar o convite para trabalhar no prestigiado Institute for Advanced Study, localizado a poucos passos da Universidade de Princeton, onde não tem de cumprir as funções de cátedra. “Quero trabalhar mais intensamente em menos coisas”, confessa. Todas as “coisas” em que Witten está trabalhando atualmente são aspectos da teoria das cordas.

As conclusões de Witten não podem ser verificadas em laboratório hoje, e isso não será possível no futuro próximo. Na verdade, tudo o que ele faz está tão distante da realidade observável que pode levar uma vida inteira ou mais até que o valor dos seus insights teóricos – e as suas possíveis aplicações práticas – se torne conhecido. A física teórica é um negócio arriscado. “É extremamente importante acreditar no que você está fazendo”, diz Witten. “Mesmo assim, é difícil manter a fé quando tudo é tão especulativo.”

“Uma das lições que você aprende”, continua ele, “é não cometer erros – mas isso não é muito útil para você. Outra lição é não desistir de boas ideias – mas como saber se elas são boas?”

Witten observa que as estrelas de nêutrons e as lentes gravitacionais – grandes concentrações de matéria no espaço sideral que, quando observadas da Terra, produzem imagens duplas das estrelas – foram consideradas noções fantasiosas, pura especulação, até serem realmente descobertas. “A história da ciência está cheia de previsões de que a validade de novas ideias nunca será provada. Mas a história da física mostra que boas ideias acabam por se revelar corretas."

Witten acredita que a teoria das cordas é boa demais para ser verdade. Parece difícil e complicado apenas porque não é suficientemente compreendido. A teoria das cordas é por enquanto, de acordo com Witten, "Uma peça de física pertencente ao século 21 e acidentalmente lançada no século 20." Os físicos hoje só trabalham com “algumas migalhas em relação à grande festa que nos espera”.

No entanto, Witten por vezes teme que as dificuldades sejam demasiado grandes. “As chances de que esta teoria nos leve a algum lugar nos próximos anos não são muito altas”, ele admite, "mas se eu não tentasse, teria a sensação de que meu insight me abandonou."

John Ellis, um dos especialistas em física teórica do Centro Europeu de Pesquisa Nuclear em Genebra, escreveu recentemente o seguinte: .”A fenomenologia das cordas ainda é um assunto jovem. Há muitas questões sem resposta e problemas técnicos, e é fácil ridicularizar a paixão totalitária dos promotores desta teoria. Porém, para citar o que estava escrito em uma embalagem de bala que abri há alguns anos, “só os otimistas conseguem algo neste mundo”.

Ou, nas palavras de Witten: “Se quisermos provar a teoria das cordas, provavelmente precisaremos de sorte. Mas na física há muitas maneiras de ter sorte."