Teoria das cordas usada para descrever o universo em expansão

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Teoria das cordas usada para descrever o universo em
expansão
Para lidar com efeitos gravitacionais quânticos desconhecidos no início do universo, os físicos
recrutaram a teoria das cordas para ajudar a resolver o problema.
Sabemos que o universo está se expandindo, e nossa compreensão da natureza baseada na
relatividade geral e no Modelo Padrão de partículas elementares é consistente com essa observação.
No entanto, essas teorias de partículas e suas interações se quebram quando tentamos aplicá-las aos
fenômenos físicos que ocorreram nos primeiros momentos após o Big Bang – impedindo-nos de
alcançar uma compreensão completa da evolução do universo.
Nossas teorias falham porque a temperatura e a densidade da matéria logo após o Big Bang foram tão
altas que um conceito chamado gravidade quântica é necessário para descrever os processos físicos
que ocorreram. O problema é que esta teoria requer uma unificação da relatividade geral e mecânica
quântica. Embora isso ainda não tenha sido totalmente compreendido, existem alguns candidatos
viáveis para uma teoria da gravidade quântica, como a teoria das cordas.
Para resolver o problema dos efeitos gravitacionais quânticos desconhecidos no início do universo, uma
equipe de físicos teóricos do Japão aplicou uma técnica inspirada na teoria das cordas conhecida como
dualidade holográfica. Isso permitiu que eles realizassem cálculos usando métodos familiares da física
de partículas elementares, em vez de uma computação incrivelmente complexa geralmente necessária
em aplicações de gravidade quântica.
https://theconversation.com/the-art-and-beauty-of-general-relativity-51042
https://www.advancedsciencenews.com/footprints-of-phase-transitions-in-the-early-universe/
https://www.space.com/quantum-gravity.html
https://theconversation.com/explainer-string-theory-2983
https://theconversation.com/explainer-string-theory-2983
https://www.space.com/string-theory-ads-cft-correspondence.html
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Gravidade quântica da teoria das cordas
O problema mais difícil que se encontra no caminho para encontrar uma teoria correta da gravidade
quântica é a falta de dados experimentais. As interações fundamentais são geralmente estudadas com
aceleradores de partículas elementares, que esmagam feixes de partículas que se movem a velocidades
próximas à velocidade da luz. A partir das velocidades das partículas nascidas nessas colisões e dos
ângulos em que saem, os cientistas podem extrair informações valiosas sobre suas interações
fundamentais.
A questão chave aqui é que os efeitos gravitacionais na maioria das interações elementares de
partículas são insignificantes (embora não sob as condições extremas no universo primitivo!), e eles não
podem ser medidos usando aceleradores modernos. Por exemplo, a atração gravitacional entre dois
elétrons é mais de 42 ordens de magnitude mais fraca do que a repulsão eletromagnética entre eles.
Devido a isso, os estudos da gravidade quântica têm sido até agora apenas teóricos.
Durante décadas, a abordagem mais promissora da gravidade quântica tem sido a teoria das cordas,
cujo principal postulado é que as partículas elementares não são semelhantes a um ponto, mas são
minúsculas, as cordas oscilantes. Modos vibracionais únicos dessas cordas dão origem a uma partícula
elementar diferente, como elétrons, quarks e gravitons ainda a serem observados, o que deve mediar
interações gravitacionais semelhantes à forma como os fótons mediam interações eletromagnéticas.
Infelizmente, nossa compreensão atual da teoria das cordas é incompleta e não nos permite estudar
muitos efeitos gravitacionais quânticos quantitativamente.
Taming string teoria com dualidade holográfica
Embora a teoria das cordas ainda não tenha atingido todo o seu potencial, a pesquisa nesta área levou
ao desenvolvimento de muitas ferramentas teóricas que podem ser usadas fora dela. O mais radical e
poderoso, embora não totalmente comprovado, é conhecido como dualidade holográfica ou
correspondência.
A hipótese holográfica afirma que os eventos dentro de uma região do espaço que envolvem a
gravidade quântica e são descritos pela teoria das cordas também podem ser descritos por uma teoria
quântica livre de gravidade definida na superfície dessa região. Esta última teoria é suficientemente mais
fácil de lidar, e aprendemos muito sobre teorias desse tipo, estudando interações eletromagnéticas,
fracas e fortes.
A existência dessa dualidade significa que, para cada quantidade mensurável na teoria quântica de
gravidade, deve haver um análogo na alternativa livre de gravidade. A validade da dualidade holográfica
foi verificada por centenas de trabalhos de pesquisa através de cálculos diretos de várias quantidades
em ambos os lados da dualidade.
Desde 1997, quando a primeira versão da correspondência holográfica foi proposta por Juan Maldacena,
muitos outros pares de teorias conectadas por essa equivalência foram descobertos e analisados, mas a
regra de que um espaço de maior dimensão inclui gravidade e um de menor dimensão nem sempre
permanece satisfeito.
https://www.iaea.org/newscenter/news/what-are-particle-accelerators#:~:text=Particle%20accelerators%20produce%20and%20accelerate,atomic%20and%20sub%2Datomic%20size.
https://www.quantamagazine.org/the-mystery-at-the-heart-of-physics-that-only-math-can-solve-20210610/
https://link.springer.com/article/10.1023/A:1026654312961
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Algumas dessas teorias da gravidade quântica são conhecidas por estarem relacionadas à teoria das
cordas, enquanto a conexão entre o resto com as cordas ainda não foi descoberta, mas geralmente se
acredita existir.
Estudando o universo em expansão com holografia
Uma característica infeliz da abordagem holográfica no estudo da gravidade quântica no mundo real é
que, na maioria dos exemplos conhecidos da dualidade, a teoria de dimensão superior descreve
matematicamente a gravidade quântica no que é chamado de espaço anti-de Sitter, que não se parece
com o nosso universo em expansão, e cuja geometria corresponde ao que os matemáticos chamam de
“espaço De Sitter”.
A notável conquista do novo estudo é que os autores foram capazes de encontrar uma teoria não
gravitacional equivalente à gravidade quântica em um universo que é bastante semelhante ao nosso. A
diferença mais importante é que ele tem apenas três dimensões – duas direções espaciais e uma vez –
ao contrário do nosso próprio universo, que é quadridimensional (três dimensões espaciais e uma
dimensão de tempo).
“A gravidade em três dimensões é muito mais simples do que em quatro”, disse Tadashi Takayanagi,
professor do Instituto Yukawa de Física Teórica e um dos autores do estudo. “No entanto, acreditamos
que o mecanismo básico de como a holografia funciona no espaço de Sitter não deve depender da
dimensão.”
A nova teoria é proposta como equivalente à gravidade quântica em um universo de expansão de
dimensão inferior definido em uma dimensão espacial e uma temporal, conhecida como o modelo de
Wess-Zumino-Witten.
Embora o universo tridimensional com o qual eles lidam não seja exatamente o nosso, os autores
pensam que seu trabalho é um passo importante para a compreensão da gravidade quântica no mundo
real.
“Como não sabemos de forma alguma os mecanismos básicos de como funciona a holografia nos
espaços de Sitter, é útil começar com a construção do exemplo mais simples, como fizemos neste
trabalho”, disse Takayanagi. Ao mesmo tempo, isso nos ajuda a verificar se existe ou não uma dualidade
holográfica para os espaços de Sitter. Além disso, em nosso modo simples, podemos levar em conta as
correções quânticas [para a relatividade geral].”
Como é habitual neste ramo da física teórica, os cientistas não provaram a dualidade porque, para isso,
eles teriam que calcular todas as quantidades físicas possíveis em ambos os lados da correspondência
e comparar os resultados. Em vez disso, eles calcularam alguns e encontraram uma correspondência
exata a partir da qual concluíram que seu palpite estava correto.
A maioria dos cálculos dos autores ignorou osefeitos quânticos no lado gravitacional da dualidade e
levando-os em conta será o curso do trabalho futuro. Se os cientistas são bem sucedidos nisso, eles
planejam generalizar seus resultados e aplicá-los ao nosso universo quadridimensional.
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“Se pudermos entender essa pergunta a partir do nosso exemplo tridimensional, esperamos que
podemos generalizar os resultados para dimensões superiores e, finalmente, desafiar a
 O problema de explicar o surgimento do nosso universo quadridimensional”, concluiu Takayanagi.
Referência: Yasuaki Hikida, et al., CFT duals de três dimensões de Sitter gravidade, Journal of High
Energy Physics, (2022). DOI: 10.1007/JHEP05 (2022)129
Crédito da imagem: Johnson Martin Pixabay
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https://link.springer.com/article/10.1007/JHEP05(2022)129