Os segredos de alguns dos maiores mistérios do universo, acredita Sera Cremonini, podem muito bem estar no comportamento dos seus mais pequenos constituintes.
Considerar o início do universo. Em uma fração de segundo após o Big Bang 14 bilhões de anos atrás, uma imensa quantidade de matéria bem confinada explodiu em um mar super quente de partículas subatômicas.
E considere os buracos negros que se formam quando as estrelas maciças colapsam. Eles comprimem a matéria tão densamente que nada que entre em seu domínio jamais escapa, nem mesmo a luz.
Como as primeiras partículas do universo interagiram? Como elas formaram quarks, e como elas se combinaram para formar os primeiros prótons e nêutrons? E que leis regem a “singularidade gravitacional” de um buraco negro, um rasgão no tecido do tempo espacial, onde densidade e gravidade se tornam infinitas?
Cremonini, um professor assistente de física, sonda estas questões através da lente da teoria das cordas, que propõe que cada partícula no universo é feita de minúsculas cordas vibratórias de energia. Medindo apenas 10-34 metros, um fio se compara em tamanho a um quark como um átomo se compara em tamanho à Terra.
Cordas são objetos unidimensionais, possuindo comprimento mas não largura. Elas podem ser abertas, formar um laço fechado, ou fixadas a membranas, ou farelos, que podem ser minúsculos ou podem preencher todo o universo. Como cordas de guitarra afinadas para produzir diferentes frequências, as vibrações das cordas podem ser associadas às várias partículas com as quais estamos familiarizados. Uma delas corresponde ao gravitão, a partícula que se acredita carregar a força gravitacional. A forma como as cordas e membranas se organizam e interagem entre si dá origem às propriedades das partículas subatômicas que observamos.
“A idéia por trás da teoria das cordas é simples”, diz Cremonini. “Olhe profundamente dentro de qualquer partícula e você verá esta pequena corda vibratória. Esta é a unidade fundamental que temos procurado, a entidade fundamental que compõe tudo”
A teoria das cordas, diz Cremonini, é a melhor estrutura já concebida para fazer a ponte entre as duas teorias incompatíveis que descrevem como o universo funciona. A teoria geral da relatividade de Albert Einstein ensina que a gravidade é a flexão do espaço e do tempo; é determinista e descreve fenómenos de grande escala. A mecânica quântica é probabilística; rege o comportamento das partículas atômicas e subatômicas.
“A teoria da relatividade geral de Einstein é uma bela teoria bem testada que nos diz como os objetos maciços empenam o tecido do espaço-tempo”, diz Cremonini. “Por causa disso, temos sistemas GPS e entendemos as órbitas dos planetas e a curvatura da luz ao redor das galáxias”. E só no ano passado, a experiência LIGO detectou pela primeira vez ondas gravitacionais, o que Einstein previu 100 anos antes. Estas são ondulações no próprio espaço-tempo, causadas pela colisão entre dois buracos negros, uma espetacular confirmação da relatividade geral.
“Mas a relatividade geral só funciona bem a grandes distâncias ou em grandes escalas – com um planeta, uma maçã ou um avião. A teoria não descreve a gravidade em todos os lugares do universo. Ela se decompõe quando se vai a distâncias muito, muito curtas, onde os efeitos da mecânica quântica não podem ser ignorados.
“A relatividade geral e a mecânica quântica explicam bem seus respectivos regimes, mas precisamos de uma teoria, uma teoria da gravidade quântica, que unifica ambas, para descrever situações em que os efeitos gravitacionais e quânticos são igualmente importantes. A teoria das cordas neste momento é o quadro mais promissor e consistente que temos para lançar luz sobre a natureza quântica da gravidade. É um conjunto de ferramentas que podemos usar para responder a perguntas sobre o início do universo, o comportamento e propriedades dos buracos negros e o tecido do espaço-tempo. Todas estas ideias vão juntas”
Cremonini recebeu recentemente uma bolsa de três anos da National Science Foundation para estudar a microestrutura do espaço-tempo, o contínuo tetradimensional no qual as três dimensões físicas são tecidas com o tempo. Utilizando uma técnica chamada holografia, ela espera lançar luz sobre fenômenos que vão desde o rescaldo imediato do Big Bang até a estrutura e propriedades dos buracos negros e o comportamento de materiais não convencionais como supercondutores de alta temperatura.
A vaca esférica
Cremonini começa grande parte de sua pesquisa com um lápis e uma folha de papel, escrevendo equações diferenciais não muito mais complicadas do que aquelas que os estudantes aprendem a resolver em cálculos universitários. As equações são as da relatividade geral com a teoria quântica de campo e a teoria das cordas.
“Muitos destes cálculos requerem intuição física”, diz ela. “Alguns deles podem ser feitos à mão. Uma vez que eu estabeleci um problema da maneira correta, então eu uso o computador para ajudar.
Como a maioria dos físicos, Cremonini faz muitas aproximações e suposições sobre o mundo real. Isto é especialmente importante com a teoria das cordas, pois os cientistas ainda não desenvolveram ferramentas que possam produzir ou observar cordas.
“Há uma piada na física sobre uma vaca esférica”, diz ela. “A maioria dos problemas em que os físicos trabalham exige que façamos aproximações do mundo real, como pegar uma vaca e torná-la esférica porque uma esfera é muito mais fácil de modelar do que uma vaca real.
“Nós não temos as ferramentas matemáticas para resolver certos problemas, então somos forçados a fazer simplificações e aproximações que os reduzam a algo que possamos enfrentar. Temos de relacionar um problema que não sabemos como resolver com algo que sabemos ser resolúvel sem perder as suas propriedades físicas essenciais”
O dicionário gravidade-quantum
Uma dualidade na teoria das cordas, diz Cremonini, dá uma visão de como a gravidade se relaciona com o mundo da mecânica quântica. Alguns aspectos do tempo espacial gravitacional, diz ela, têm descrições alternativas no mundo quântico.
“Na teoria das cordas, aprendemos que certas teorias da gravidade que vivem num número específico de dimensões têm descrições correspondentes e completamente equivalentes nas teorias quânticas que vivem numa dimensão a menos. Devido a esta diferença no número de dimensões, chamamos a isto holografia, pois faz lembrar um holograma, que é uma projecção de um objecto 3D sobre duas dimensões”
Como um dicionário franco-alemão ou japonês-inglês, diz Cremonini, uma teoria gravitacional e a sua correspondente teoria quântica contêm a mesma quantidade de informação mas são escritas com palavras e convenções diferentes. A holografia oferece uma “teia rica” de conexões, diz Cremonini, que tornam possível traduzir entre a gravidade e o mundo quântico, e pensar de uma forma totalmente nova sobre alguns dos seus aspectos mais desafiadores. Acontece que um problema que é difícil de resolver num domínio pode ser traduzido para o outro – normalmente o domínio gravitacional – onde pode ser mais facilmente resolvido.
Avaliar a assimetria da realidade
O objetivo da pesquisa atual de Cremonini é expandir o escopo dos problemas aos quais as técnicas holográficas podem ser efetivamente aplicadas.
“As técnicas holográficas foram originalmente desenvolvidas para sistemas simples que são bem comportados, têm muita simetria e não são muito realistas”, diz ela. “Descobrimos que estas técnicas são muito mais abrangentes e bastante poderosas”. Estou perguntando o quanto podemos estender e generalizar essas idéias para sistemas mais complexos, com menos simetria, que estão mais próximos do nosso universo e, portanto, mais realistas.
“Os físicos gostam de pensar nas coisas em termos de simetrias. A maior parte do nosso progresso, especialmente na física das partículas, tem se baseado na compreensão de sistemas que são altamente simétricos; eles são simplesmente mais fáceis de entender. Mas na vida real, a natureza tem muitos mecanismos para quebrar simetrias, e os processos são dinâmicos e muito mais complicados”
Os problemas que representam o maior desafio para os físicos, diz Cremonini, geralmente envolvem sistemas cujos componentes-eletrônicos, por exemplo, interagem fortemente uns com os outros. Nestes casos, modelar como os sistemas se comportam a diferentes temperaturas, ou como eles passam por transições de fase de um estado para outro, é notoriamente difícil.
Uma das transições de fase que Cremonini estudou ocorre num sistema quântico chamado quark-gluon plasma. De acordo com a teoria da cromodinâmica quântica (QCD), os prótons e nêutrons que compõem o núcleo de um átomo são eles mesmos compostos por três pequenos quarks que estão fortemente ligados entre si por partículas chamadas gluons. Com energias suficientemente altas, num fenómeno que ecoa o estado do universo inicial, os quarks e os gluões separam-se fisicamente e flutuam livremente numa sopa quente, ou plasma. A transição de fase que desacopla quarks é conhecida como desconfinamento QCD e é objeto de experimentos no Relativistic Heavy Ion Collider no Brookhaven National Laboratory, e no Large Hadron Collider no CERN, a Organização Européia para Pesquisa Nuclear na Suíça.
“Devido às fortes interações entre quarks e gluons”, diz Cremonini, “este sistema é muito difícil de estudar”. Mas ele pode ser mapeado para um sistema gravitacional apropriado, onde algumas de suas propriedades são muito mais fáceis de sondar”.
Quando a energia governa o comportamento
Em seu projeto NSF, Cremonini está procurando usar técnicas holográficas para estudar fases quânticas da matéria cujo comportamento é mal compreendido, justamente por causa de interações tão fortes. Um exemplo é o dos supercondutores de alta temperatura, que alcançam supercondutividade a temperaturas tão altas quanto -70 graus Celsius, em comparação com o limiar de -240 graus para materiais supercondutores metálicos comuns.
Por terem componentes que interagem fortemente, diz Cemonini, os supercondutores de alta temperatura são muito mais desafiadores de modelar do que os supercondutores comuns.
“Supercondutores de alta temperatura são materiais muito interessantes, mas não há um entendimento profundo do porquê de serem supercondutores”, diz ela. “O comportamento dos constituintes desses materiais é muito estranho”. Seus elétrons são tão enredados e interagem tão fortemente que não podemos realmente entender seu comportamento usando as técnicas que normalmente usaríamos para supercondutores regulares ou metais convencionais”. Técnicas holográficas nos dão uma maneira de escrever cálculos rastreáveis que tornam possível modelar esses sistemas e suas propriedades incomuns”
O comportamento de muitos sistemas pode ser comparado ao comportamento de crianças que experimentam uma alta induzida por açúcar. Quando a energia é removida de um sistema, diz Cremonini, o sistema relaxa ao seu estado zero de energia ou de solo. Quando a energia é adicionada, muitas vezes com a aplicação de calor, o sistema fica excitado e exibe um comportamento rico.
“Em física, é importante entender como os sistemas se comportam quando você drena a energia deles e a que estado eles relaxam. O comportamento é uma função da energia.
“Pense no que acontece quando a água ferve. Forma-se uma bolha – uma instabilidade no sistema – e começa a crescer. Então mais bolhas se formam e crescem em uma massa fumegante. É assim que pensamos nas transições de fase; elas estão lá porque uma instabilidade se forma e depois cresce. No meu trabalho estou explorando uma variedade de fases quânticas e os tipos de instabilidades que podem resultar”
Em seu projeto NSF, Cremonini também está explorando como a gravidade emerge de constituintes microscópicos, quântico-mecânicos. Ela espera que suas respostas esclareçam a estrutura do tempo espacial, o início e a evolução inicial do universo e a física dos buracos negros.
“A teoria das cordas tem nos dado muitos insights sobre a relação entre a relatividade geral e a mecânica quântica, especialmente nos últimos 20 anos. Ela tem nos ajudado a aprender sobre a estrutura fundamental dos buracos negros. Sabemos que os buracos negros têm temperatura, o que significa que há entropia associada a eles. Mas a entropia não é apenas uma medida de desordem. Também nos diz que o buraco negro deve ser feito de um monte de pedaços microscópicos. Um dos grandes sucessos da teoria das cordas é que ela nos deu uma maneira de calcular os bits microscópicos que compõem certos buracos negros, e reproduziu sua entropia com muita precisão. Isto é notável, e é uma necessidade para qualquer teoria da gravidade quântica.
“Talvez haja outra teoria que possa descrever todos estes fenômenos. Isso é possível, mas até agora, a teoria das cordas é a melhor estrutura que temos”.
Story by Kurt Pfitzer