Universo teve 10 dimensões no Big Bang

Um grupo de pesquisadores do High Energy Research Accelerator Organization (KEK), da Universidade de Shizuoka e da Universidade de Osaka revelou que o Universo nasceu com três dimensões espaciais a partir de dez dimensões descrita pela teoria das supercordas.

© NASA/Adolf Schaller (Universo Primordial)

A teoria das supercordas descreve que o espaço-tempo tem nove direções espaciais e um sentido temporal.

Segundo o "Modelo Padrão" na cosmologia, o Universo se originou de uma expansão de um ponto invisível minúsculo (singularidade). Esta teoria é fortemente apoiada pela observação da radiação cósmica de fundo e a abundância relativa de elementos. No entanto, uma situação em que o Universo é um ponto minúsculo excede o alcance da teoria geral da relatividade de Einstein, e por isso não foi possível confirmar como o Universo se originou.
Na teoria das supercordas, que é considerada a "teoria de tudo", todas as partículas elementares são representados como vários modos de oscilação das diminutas cordas. Entre os modos de oscilação, há um que corresponde a uma partícula que medeia a gravidade, e, portanto, a teoria geral da relatividade pode ser naturalmente estendida para a escala das partículas elementares.
Portanto, espera-se que a teoria das supercordas permita a investigação do nascimento do Universo. No entanto, o cálculo real tem sido difícil porque a interação entre as cordas é forte, por isso toda a investigação até agora tem sido restrita na indagação de vários modelos.
A teoria das supercordas prevê um espaço com nove dimensões, o que coloca o grande enigma de como isso pode ser consistente com o espaço tridimensional que nós vivemos.
Um grupo de três pesquisadores, Jun Nishimura (professor associado da KEK), Asato Tsuchiya (professor associado da Universidade de Shizuoka) e Sang-Woo Kim (pesquisador da Universidade de Osaka) conseguiu simular o nascimento do Universo, usando um supercomputador para cálculos com base na teoria das supercordas. Isso mostrou que o Universo teve nove dimensões espaciais no início, mas apenas três destas foram submetidas à expansão em algum ponto no tempo.
Neste estudo, a equipe estabeleceu um método para calcular as matrizes de grandes dimensões (no modelo de matriz IKKT), que representam as interações de cordas.

Nos primordios do Universo o espaço é de fato estendido em nove direções, mas, em seguida, em algum momento apenas três dessas direções começam a expandir-se rapidamente. Este resultado demonstra, pela primeira vez, que o espaço tridimensional emerge a partir do espaço nonodimensional que a teoria das supercordas prevê.
Este cálculo foi realizado por simulação numérica com auxílio do supercomputador Hitachi SR16000 do Instituto Yukawa de Física Teórica da Universidade de Kyoto, que possui um desempenho teórico de 90,3 TFLOPS (Teraflops).
O estabelecimento de um novo método para analisar a teoria das supercordas por intermédio de computadores abre a possibilidade de aplicar essa teoria a diversos problemas. Por exemplo, agora deve ser possível fornecer uma compreensão teórica da inflação que se acredita ter ocorrido no início do Universo, e também a expansão acelerada do Universo.

Espera-se que a teoria das supercordas continuará evoluindo e desempenhando um papel importante na resolução de problemas em física de partículas, tais como a existência da matéria escura que é sugerida por observações cosmológicas, e a partícula de Higgs, que está prestes a ser descoberta pelos experimentos do LHC.

Fonte: High Energy Research Accelerator Organization

Ondas gravitacionais poderão comprovar desaparecimento de dimensões

Uma nova teoria soluciona alguns problemas da cosmologia e da física de partículas ao propor que o Universo primordial continha menos dimensões espaciais do que as três que nós experimentamos hoje.

© NASA/LISA (ilustração de ondas gravitacionais)

E os físicos da Universidade de Nova Iorque, nos Estados Unidos, propõem um teste para a sua teoria usando o observatório espacial LISA (Laser Interferometer Space Antenna), que está sendo projetado para detectar ondas gravitacionais.

Os teóricos afirmam que as ondas gravitacionais não podem existir em menos do que três dimensões. Assim, acima de uma determinada frequência, que identificaria as ondas mais antigas, o observatório LISA não deverá detectar nenhuma onda.

Embora a teoria seja especulativa, alguns cientistas acreditam que os dados dos raios cósmicos já forneceram indícios das dimensões faltantes sob altas energias. A equipe afirma que o novo teste poderá ser mais conclusivo do que os testes anteriores.

A hipótese das dimensões desaparecidas prevê que, sob energias e temperaturas extremamente altas, as três dimensões do espaço que nos são familiares irão se reduzir a duas ou mesmo a uma única dimensão.

Assim, no ambiente quente do início do Universo, haveria menos dimensões. Conforme o Universo foi esfriando, surgiram dimensões adicionais, uma a uma.

A teoria também propõe que nosso Universo atual tem quatro dimensões espaciais, mas nós detectamos apenas uma fração de três dimensões desse espaço quadridimensional.

Essa quarta dimensão espacial do tempo, segundo a teoria, teria fornecido uma energia extra, que propiciou a expansão do Universo.

Esse impulso adicional poderia explicar a aceleração da expansão do Universo, que foi descoberta em 1998 e que é geralmente explicada como sendo uma resultante de uma misteriosa energia escura que permearia todo o Universo. Ou seja, se a teoria agora proposta estiver correta, a hipótese de energia escura também poderia desaparecer.

A teoria resolve igualmente alguns problemas na física das partículas. Indícios do sumiço das dimensões já foram detectados nos chuveiros de raios cósmicos na atmosfera da Terra. Uma nova análise dos dados, feita em 2005, mostrou que os jatos de partículas produzidos pelos raios cósmicos mais energéticos estão fortemente alinhados com um plano, o que seria coerente como uma redução nas dimensões.

Outros pesquisadores estão planejando usar o LHC (Grande Colisor de Hádrons) para examinar o desaparecimento das dimensões. Se as dimensões realmente desaparecem em altas energias, então as partículas produzidas nas colisões estariam confinadas em um plano bidimensional, em vez de estarem em um volume tridimensional.

Mas interpretar os dados do LHC pode não ser tão fácil porque diferentes modelos resultam em previsões diferentes.

Uma teste alternativo seria o uso das ondas gravitacionais, que são ondulações no espaço-tempo causadas por eventos cósmicos em larga escala, que não podem existir em menos do que três dimensões.

A ideia é que as ondas gravitacionais primordiais, de mais alta frequência, correspondem às mais altas energias dos momentos iniciais do Universo.

Assim, deve haver uma frequência máxima das ondas observadas, ou seja, frequências mais altas não deveriam existir porque elas estariam vindo de uma era com menos dimensões.

A frequência de corte é cerca de 10^-4 Hz, dadas algumas suposições, que está dentro da faixa detectável pelo LISA, um futuro detector de ondas gravitacionais que está sendo projetado em parceria pela NASA e pela ESA.

Os testes experimentais deverão esperar mais: o observatório LISA não deverá ir ao espaço antes de 2020.

Fonte: Physical Review Letters

A primeira máquina do tempo do mundo?

O LHC (Large Hadron Collider), além de ser o maior experimento científico do mundo, pode se tornar também a primeira máquina capaz de fazer a matéria viajar de volta no tempo.

© LHC (panorâmica do colisor)

Os físicos Tom Weiler e Chui Man Ho da Universidade de Vanderbilt, nos Estados Unidos, acabam de propor a ideia em um artigo ainda não aceito para publicação.

"Nossa teoria é um tiro de longa distância," admite Weiler. "Mas ela não viola nenhuma lei da física e nem qualquer restrição experimental.

Um dos maiores objetivos do LHC é encontrar o bóson de Higgs, uma partícula hipotética que pode explicar porque partículas como os prótons, nêutrons e elétrons possuem massa.

Se o Grande Colisor de Hádrons realmente conseguir produzir essa que é chamada a "partícula de Deus", alguns físicos acreditam que ele irá criar também uma segunda partícula, o singleto de Higgs.

Segundo a proposta de Weiler e Ho, esses singletos teriam a capacidade de saltar para uma quinta dimensão, onde eles poderiam se mover para frente e para trás no tempo, retornando depois para nossa dimensão, mas reaparecendo no futuro ou no passado.

"Uma das coisas mais atrativas dessa abordagem da viagem no tempo é que ela evita todos os grandes paradoxos", diz Weiler.

Na verdade, a abordagem evita os passageiros mais problemáticos na viagem. Como somente partículas com características tão especiais poderiam viajar no tempo, ninguém poderia retornar ao passado e matar algum antecessor, eliminando a possibilidade da própria existência.

"Entretanto, se os cientistas puderem controlar a produção dos singletos de Higgs, eles poderão enviar mensagens para o passado ou para o futuro", propõe Weiler.

© Vanderbilt (ilustração da teoria dos singletos viajantes no tempo)

A imagem está mostrando quando dois prótons colidem no LHC, a explosão pode criar um tipo especial de partícula, chamado singleto de Higgs, que seria capaz de viajar no tempo pegando atalhos em outras dimensões.

Testar a teoria bastará observar se o LHC produz os singletos de Higgs e se os produtos do seu decaimento começam a surgir espontaneamente.

Neste caso, isso indicará que esses produtos estão sendo gerados por partículas que viajaram de volta no tempo para reaparecer antes da ocorrência das colisões que as originaram.

A proposta é baseada na Teoria-M, que tem a pretensão de ser uma "teoria de tudo". A Teoria-M requer a existência de 10 ou 11 dimensões, em vez das quatro que nos são familiares (as três espaciais mais o tempo). Isso levou à sugestão de que nosso Universo pode ser uma membrana - ou "brana" - quadridimensional flutuando em um espaço-tempo multidimensional, chamado de "O Todo" (Bulk).

Segundo essa "visão de mundo", os blocos fundamentais do nosso Universo estão permanentemente presos à sua brana, o que os impede de viajar para outras dimensões.

Mas pode haver exceções - a gravidade, por exemplo, seria uma força tão fraca porque ela se difunde por outras dimensões. Outra possível exceção seria o singleto de Higgs, que corresponde à gravidade, mas a nenhuma das outras forças básicas.

Uma terceira possibilidade seria um ainda mais elusivo neutrino estéril, um parente mais raro dos quase indetectáveis "neutrinos normais".

Um neutrino normal interage tão pouco com a matéria que pode atravessar um cubo de um ano-luz de lado feito de chumbo sem se chocar com nenhum átomo.

Os neutrinos estéreis não se chocariam nunca com nada - eles também reagiriam apenas com a gravidade, o que os torna passageiros viáveis para a máquina do tempo de Weiler e Ho.

Se os neutrinos estéreis pegarem atalhos por outras dimensões, do ponto de vista da nossa dimensão eles poderiam viajar em velocidades mais altas do que a velocidade da luz.

De acordo com a Teoria da Relatividade Geral de Einstein, há certas condições nas quais viajar mais rápido do que a velocidade da luz é equivalente a viajar de volta no tempo.

Especulações que, por enquanto, estão rendendo bastante no mundo da ficção científica. Os recentes títulos: A Máquina do Tempo Acidental, de Joe Haldeman e Teoria Final, de Mark Alpert, que de acordo com o New York Times, é baseado na obra O Código Da Vinci de Dan Brown. Estas publicações amparam-se na ideia dos neutrinos viajantes no tempo.

Fonte: ScienceDaily

Em busca de uma teoria unificada

A teoria da relatividade geral explica a gravidade. A mecânica quântica explica as forças nucleares e o eletromagnetismo. Conciliar as duas teorias é um dos maiores desafios para a Física.

© Revista Física (ilustração das supercordas)

A solução mais eficiente até agora para unificar gravitação e mecânica quântica é a chamada teoria das supercordas, que está em plena construção. Nos últimos dez anos, o esforço internacional para promover avanços nessa área tem contado com a importante participação de pesquisadores ligados ao Projeto Temático "Pesquisa e ensino em teoria de cordas", financiado pela FAPESP.

Sob coordenação de Nathan Jacob Berkovits, professor titular do Instituto de Física Teórica (IFT) da Universidade Estadual Paulista (Unesp), o projeto é o terceiro realizado sobre o tema desde 2000. Naquele ano, Berkovits apresentou uma formulação matemática inovadora, desenvolvida ao longo de 15 anos, que ficou conhecida como “espinores puros”. Esse formalismo tem sido importante, na última década, para facilitar os cálculos relacionados ao estudo da teoria das supercordas. Em 2009, ele recebeu o Premio em Fisica de TWAS (Academia de Ciencias do Mundo em Desenvolvimento) em reconhecimento deste trabalho.

Desenvolvida a partir da década de 1960, a teoria das supercordas é um modelo físico no qual os compomentes fundamentais da matéria não são os pontos sem dimensão que caracterizavam as partículas subatômicas na física tradicional, mas objetos extensos unidimensionais, semelhantes a uma corda. Dependendo do “tom” da vibração dessas cordas, elas corresponderiam a cada partícula subatômica.

De acordo com Berkovits, o Projeto Temático, que envolve uma série de parcerias internacionais, tem explorado as aplicações dos espinores puros em várias frentes no desenvolvimento da teoria de supercordas.

“A teoria de supercordas é a tentativa mais bem sucedida até agora para unificar a gravitação e a mecânica quântica, teorias cuja conciliação corresponde a uma tarefa muito difícil. Os físicos teóricos também sonham que a teoria das supercordas possa unificar todas as forças e partículas fundamentais da natureza, mas isso, por enquanto, é apenas um sonho”, disse Berkovits.

Os avanços no campo teórico, no entanto, são bastante reais. O formalismo dos espinores puros tem sido a ferramenta mais apropriada para o estudo da correspondência AdS/CFT (sigla em inglês para espaço anti-de-Sitter / teoria do campo conformal), também conhecida como a conjectura de Maldacena.

Essa conjectura, proposta em 1997 pelo argentino Juan Maldacena (vencedor do prêmio Dirac, a mais importante premiação da área da Física depois do Prêmio Nobel), deu um impulso sem precedentes à teoria das supercordas e à pesquisa sobre a gravitação quântica. O artigo no qual Maldacena propôs a conjectura teve mais de 3 mil citações e se tornou um dos principais marcos conceituais da física teórica na década de 1990.

“Além de trabalharmos a aplicação dos espinores puros ao estudo da correspondência AdS/CFT, temos avançado na aplicação desse formalismo a outras frentes também, como o cálculo da amplitude de espalhamento”, contou Berkovits.

O estudo do espalhamento de cordas, que está relacionado ao espalhamento de partículas, enfrenta grandes dificuldades quando as partículas envolvidas são férmions. Todas as partículas elementares da matéria são férmions ou bósons, que têm spin semi-inteiros ou inteiros, respectivamente, e obedecem mecânicas estatísticas diferentes.

“Com a aplicação do formalismo dos espinores puros, o estudo do espalhamento de cordas envolvendo férmions não é mais difícil que os casos que envolvem bósons. Outra vertente na qual trabalhamos com a aplicação do formalismo dos espinores puros é a teoria de campos de cordas, que ainda está em estágio inicial de desenvolvimento”, explicou.

Quando uma partícula é descrita, utiliza-se uma variável que descreve a sua posição. Mas quando se trata de uma partícula com spin, como fótons ou elétrons, a variável da posição não é suficiente para a descrição.

Existem várias maneiras para descrever o spin e a mais tradicional foi o formalismo de Ramond-Neveu-Schwarz, concebido em 1973. Mais tarde, em 1980, foi desenvolvido o formalismo de Green-Schwarz, uma nova maneira de descrever o spin que trazia algumas vantagens. Mas trazia desvantagens também: ele não preservava a invariância de Lorentz, uma importante propriedade relacionada às rotações do espaço-tempo.

Desde 1980, portanto, os físicos teóricos vinham tentando resolver os problemas com o formalismo de Green-Schwarz. Até que em 2000 o formalismo dos espinores puros resolveu a questão da descrição do spin de partículas de uma maneira que preservava todas as simetrias presentes na teoria da relatividade.

Estima-se que existam atualmente cerca de 2 mil pesquisadores envolvidos com o estudo de teoria das supercordas. Berkovits tem trabalhado com cerca de 50 deles. O Projeto Temático que coordena se beneficia das conexões internacionais de seus pesquisadores participantes.

Fonte: Agência FAPESP