O universo elegante: Supercordas, dimensões ocultas e a busca da teoria definitiva




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O Universo elegante: Supercordas, dimensões ocultas e a busca da teoria definitiva

Brian Greene


A minha mãe e à memória de meu pai, com amor e gratidão


Prefácio


Nos últimos trinta anos da sua vida, Einstein buscou sem descanso a chamada teoria do campo unificado — uma teoria capaz de descrever as forças da natureza por meio de um esquema único, completo e coerente. As motivações de Einstein não eram as que normalmente inspiram os empreendimentos científicos, como a busca de explicações para este ou aquele conjunto de dados experimentais. Ele acreditava apaixonadamente que o conhecimento mais profundo do universo revelaria a maior das maravilhas: a simplicidade e a potência dos princípios que o estruturam. Einstein queria iluminar os mecanismos da natureza com uma luz nunca antes alcançada, que nos permitiria contemplar, em estado de encantamento, toda a beleza e a elegância do universo.

Ele nunca realizou o seu sonho, em grande parte porque as circunstâncias não o favoreciam, já que em sua época várias características essenciais da matéria e das forças da natureza eram desconhecidas ou, quando muito, mal compreendidas. Mas durante os últimos cinqüenta anos, as novas gerações de físicos — entre promessas, frustrações e incursões por becos sem saída — vêm aperfeiçoando progressivamente as descobertas feitas por seus predecessores e ampliando os nossos conhecimentos sobre a maneira como funciona o universo. E agora, tanto tempo depois de Einstein ter empreendido em vão a busca de uma teoria unificada, os físicos acreditam ter encontrado finalmente a forma de combinar esses avanços em um todo articulado — uma teoria integrada, capaz, em princípio, de descrever todos os fenômenos físicos. Essa teoria, a teoria das supercordas, é o tema deste livro.

Escrevi O universo elegante com o objetivo de tornar acessível a uma ampla faixa de leitores, especialmente aos que não conhecem física e matemática, o notável fluxo de idéias que compõe a vanguarda da física atual. Nas conferências que tenho feito nos últimos anos sobre a teoria das supercordas, percebi no público um vivo desejo de conhecer o que dizem as pesquisas atuais sobre as leis fundamentais do universo, de como essas leis requerem um gigantesco esforço de reestruturação dos nossos conceitos a respeito do cosmos e dos desafios que terão de ser enfrentados na busca da teoria definitiva. Espero que os dois elementos que constituem este livro — a explicação das principais conquistas da física desde Einstein e Heisenberg e o relato de como as suas descobertas vieram a florescer com vigor nos avanços radicais da nossa época — venham a satisfazer e enriquecer essa curiosidade.

Espero ainda que O universo elegante interesse também aqueles leitores que de fato têm conhecimentos científicos. Para os estudantes e professores de ciências, espero que o livro logre cristalizar alguns dos elementos básicos da física moderna, como a relatividade especial, a relatividade geral e a mecânica quântica, e ao mesmo tempo possa transmitir a euforia contagiante que sentem os pesquisadores ao se aproximarem da conquista tão ansiosamente aguardada da teoria unificada. Para o leitor ávido por ciência popular, tratei de explicar aspectos do extraordinário progresso que o nosso conhecimento do cosmos experimentou na última década. E para os meus colegas de outras disciplinas científicas, espero que o livro lhes dê uma indicação honesta e equilibrada de por que os estudiosos das cordas estão tão entusiasmados com os avanços alcançados na busca da teoria definitiva da natureza.

A teoria das supercordas engloba uma grande área. E um tema amplo e profundo, relacionado com muitas das descobertas capitais da física. Como ela unifica as leis do grande e do pequeno, leis que regem a física desde as unidades mínimas da matéria até as distâncias máximas do cosmos, são múltiplas as maneiras de abordá-la. Decidi focalizá-la a partir da evolução da percepção que temos do espaço e do tempo. Creio que esse é um caminho especialmente interessante por permitir uma visão fascinante e rica das novas maneiras de pensar.

Einstein mostrou ao mundo que o espaço e o tempo comportam-se de maneiras incomuns e surpreendentes. Agora, as pesquisas mais recentes conseguiram integrar as suas descobertas a um universo quântico, com numerosas dimensões ocultas, enroladas dentro do tecido cósmico — dimensões cuja geometria prodigamente entrelaçada pode propiciar a chave para a compreensão de algumas das questões mais profundas que já enfrentamos. Embora alguns destes conceitos sejam sutis, veremos que podem ser apreendidos através de analogias comuns. Uma vez compreendidas, essas idéias proporcionam uma perspectiva deslumbrante e revolucionária do universo.

Em todo o transcorrer do livro, procurei manter o padrão científico e, ao mesmo tempo, dar ao leitor — freqüentemente por meio de analogias e metáforas — a compreensão intuitiva de como os cientistas chegaram à concepção atual do cosmos. Embora eu tenha evitado o uso de linguagem técnica e a apresentação de equações, a natureza radicalmente nova dos conceitos aqui considerados pode forçar o leitor a fazer uma pausa em alguns pontos, a meditar aqui e ali, ou a refletir sobre as explicações dadas, de modo a acompanhar a progressão das idéias. Certas seções da parte IV (a respeito dos avanços mais recentes) são mais abstratas que as demais; tomei o cuidado de advertir o leitor sobre essas seções e de estruturar o texto de modo que elas possam ser lidas superficialmente ou mesmo saltadas sem maior impacto sobre o fluxo lógico do livro. Incluí um glossário de termos científicos com o objetivo de propiciar definições simples e acessíveis para as idéias apresentadas no texto. Embora o leitor menos comprometido possa ignorar totalmente as notas finais, o mais aplicado encontrará aí observações adicionais, esclarecimentos de idéias expostas de maneira simplificada no texto, bem como incursões técnicas para os que gostam de matemática.

Devo agradecer a muitas pessoas pela ajuda recebida durante a preparação deste livro. David Steinhardt leu o manuscrito com atenção e generosidade, além de propiciar inestimáveis incentivos e comentários editoriais precisos. David Morrison, Ken Vineberg, Raphael Kasper, Nicholas Boles, Steven Carlip, Arthur Greenspoon, David Mermin, Michael Popowitz e Shani Offen leram o manuscrito detalhadamente e ofereceram sugestões que em muito beneficiaram a apresentação da obra. Outros que leram o manuscrito total ou parcialmente e forneceram conselhos e incentivos foram Paul Aspinwail, Persis Drell, Michael Duff, Kurt Gottfried, Joshua Greene, Teddy Jefferson, Marc Kamionkowski, Yakov Kanter, Andras Kovacs, David Lee, Megan McEwen, Nari Mistry, Hasan Padamsee, Ronen Plesser, Massimo Poratti, Fred Sherry, Lars Straeter, Steven Strogatz, Andrew Strominger, Henry Tye, Cumrun Vafa e Gabriele Veneziano. Devo agradecimentos especiais a Raphael Gunner, entre outras coisas pelas críticas feitas logo ao início do trabalho, que me ajudaram a dar-lhe a forma definitiva, e a Robert Malley, por seu incentivo suave e persistente para que eu passasse do estágio de pensar no livro para o de escrevê-lo. Steven Weinberg e Sidney Coleman contribuíram com sua assistência e conselhos valiosos, e é um prazer registrar as muitas interações positivas com Carol Archer, Vicky Carstens, David Cassei, Anne Coyle, Michael Duncan, Jane Forman, Wendy Greene, Susan Greene, Erikjendresen, Gary Kass, Shiva Kumar, Robert Mawhinney, Pam Morehouse, Pierre Ramond, Amanda Salles e Elero Simoncelli. Devo a Costas Efthimiou a ajuda nas pesquisas de confirmação e na organização das referências, bem como na transformação de meus esboços preliminares em desenhos gráficos, a partir dos quais Torn Rockwell criou — com paciência de santo e olhos de artista — as figuras que ilustram o texto. Agradeço também a Andrew Hanson e Jim Sethna pela ajuda na preparação de algumas figuras especializadas.

Por concordarem em ser entrevistados e oferecer suas próprias perspectivas em diversos tópicos, agradeço a Howard Georgi, Sheldon Glashow, Michael Green, John Schwarz, John Wheeler, Edward Witten e, novamente, a Andrew Strominger, Cumrun Vafa e Gabriele Veneziano.

Fico feliz em reconhecer as penetrantes observações e as inestimáveis sugestões de Angela Von der Lippe e a aguda sensibilidade para o detalhe de Traci Nagie, minhas editoras na W. W. Norton, que aumentaram significativamente a clareza da apresentação. Agradeço ainda a meus agentes literários, John Brockman e Katinka Matson, por sua excelente orientação na arte de "pastorear" o livro do começo ao fim.

Por haverem apoiado com generosidade as minhas pesquisas em física teórica por mais de quinze anos, expresso meu reconhecimento e gratidão à National Science Foundation, à Alfred P. Sloan Foundation e ao Departamento de Energia do Governo dos Estados Unidos. Não é surpresa para ninguém que a minha pesquisa se concentrou no impacto da teoria das supercordas sobre os nossos conceitos de espaço e tempo, e nos capítulos finais do livro eu descrevo algumas das descobertas em que tive a felicidade de participar. Apesar da minha esperança de que o leitor aprecie a leitura destes relatos "íntimos", temo que eles possam dar uma idéia exagerada do papel que desempenhei no desenvolvimento da teoria das supercordas. Permitam-me, portanto, aproveitar esta oportunidade para homenagear os mais de mil físicos de todo o mundo que participam de maneira dedicada e crucial do esforço de compor a teoria definitiva do universo. Peço perdão a todos aqueles cujo trabalho não foi incluído neste relato; isso reflete apenas a perspectiva temática que escolhi e as limitações de tamanho de uma apresentação de caráter geral.

Agradeço também o trabalho de tradução deste texto para a língua portuguesa, feito por José Viegas Filho, assim como a revisão técnica realizada por Rogério Rosenfeld.

Finalmente, expresso os meus profundos agradecimentos a Ellen Archer por seu amor e seu apoio incansável, sem os quais este livro nunca teria sido escrito.


PARTE I

A fronteira do conhecimento


1. Vibrando com as cordas

Chamá-la de tentativa de abafar a verdade seria muito dramático. Porém, por mais de meio século — mesmo em meio às maiores conquistas científicas da história — os físicos conviveram em silêncio com a ameaça de uma nuvem escura no horizonte.

O problema é o seguinte: a física moderna repousa em dois pilares. Um é a relatividade geral de Albert Einstein, que fornece a estrutura teórica para a compreensão do universo nas maiores escalas: estrelas, galáxias, aglomerados de galáxias, até além da imensa extensão total do cosmos. O outro é a mecânica quântica, que fornece a estrutura teórica para a compreensão do universo nas menores escalas: moléculas, átomos, descendo até as partículas subatômicas, como elétrons e quarks. Depois de anos de pesquisa, os cientistas já confirmaram experimentalmente, e com precisão quase inimaginável, praticamente todas as previsões feitas por essas duas teorias.

Mas esses mesmos instrumentos teóricos levam de forma inexorável a uma outra conclusão perturbadora: tal como atualmente formuladas, a relatividade geral e a mecânica quântica não podem estar certas ao mesmo tempo. As duas teorias que propiciaram o fabuloso progresso da física nos últimos cem anos — progresso que explicou a expansão do espaço e a estrutura fundamental da matéria — são mutuamente incompatíveis.

Se você ainda não ouviu falar dessa feroz controvérsia, deve estar perguntando qual a razão dela. A resposta não é difícil. Em praticamente todos os casos, com exceção dos mais extremos, os físicos estudam coisas que ou são pequenas e leves (como os átomos e as partículas que os constituem) ou enormes e pesadas (como as estrelas e as galáxias), mas não ambos os tipos de coisas ao mesmo tempo. Isso significa que eles só necessitam utilizar ou a mecânica quântica ou a relatividade geral, e podem desprezar sem maiores preocupações as advertências do outro lado. Esta atitude pode não trazer tanta felicidade quanto a ignorância, mas anda perto.

Porém o universo está cheio de casos extremos. Nas profundezas do interior de um buraco negro uma massa enorme fica comprimida a ponto de ocupar um espaço minúsculo. No momento do big-bang, o universo inteiro emergiu de uma pepita microscópica, perto da qual um grão de areia é algo colossal. Esses são mundos mínimos mas incrivelmente densos, que por isso requerem o emprego tanto da mecânica quântica quanto da relatividade geral. Por motivos que ficarão mais claros à medida que avançarmos, as equações da relatividade geral e da mecânica quântica, quando combinadas, começam a ratear, trepidar e fumegar, como um carro velho. Falando de maneira menos figurativa, quando se juntam as duas teorias, os problemas físicos, ainda que bem formulados, provocam respostas sem sentido. Mesmo que nos resignemos a deixar envoltas em mistério questões difíceis como o que ocorre no interior dos buracos negros ou como se deu a origem do universo, não se pode evitar a sensação de que a hostilidade entre a mecânica quântica e a relatividade geral clama por um nível de entendimento mais profundo.

Será verdade que o universo, no seu nível mais fundamental, apresenta-se dividido, requerendo um conjunto de regras para as coisas grandes e outro, diferente e incompatível, para as coisas pequenas?

A teoria das supercordas, uma criança em comparação com as veneráveis teorias da mecânica quântica e da relatividade geral, responde a essa pergunta com um sonoro não. Pesquisas intensas de físicos e matemáticos em todo o mundo revelaram, na última década, que essa nova maneira de descrever a matéria no nível mais fundamental resolve a tensão entre a relatividade geral e a mecânica quântica. Na verdade, a teoria das supercordas revela ainda mais: a relatividade geral e a mecânica quântica precisam uma da outra para que a teoria faça sentido. De acordo com a teoria das supercordas, o casamento entre as leis do grande e do pequeno não só é feliz como também inevitável.

Essa é uma boa notícia. Mas a teoria das supercordas — ou simplesmente teoria das cordas — leva essa união muito mais adiante. Durante trinta anos Einstein buscou uma teoria unificada da física que entrelaçasse todas as forças e todos os componentes materiais da natureza em um único conjunto de teorias. Ele fracassou. Agora, ao iniciar-se o novo milênio, os proponentes da teoria das cordas proclamam que os fios dessa difícil obra de tecelagem já foram identificados. A teoria das cordas tem a capacidade potencial de demonstrar que todos os formidáveis acontecimentos do universo — da dança frenética dos quarks à valsa elegante das estrelas binárias, da bola de fogo do big-bang ao deslizar majestoso das galáxias — são reflexos de um grande princípio físico, uma equação universal.

Como esses aspectos da teoria das cordas requerem uma mudança drástica nos nossos conceitos de espaço, tempo e matéria, é necessário deixar passar algum tempo para que nos acostumemos a essas transformações. Mas logo ficará claro que, vista no contexto correto, a teoria das cordas é uma conseqüência natural, ainda que extraordinária, das descobertas revolucionárias da física nos últimos cem anos. Veremos que o conflito entre a relatividade geral e a mecânica quântica na verdade não é o primeiro, mas sim o terceiro de uma série de choques cruciais ocorridos no século XX, confrontos cujos resultados provocaram revisões estonteantes na nossa visão do universo.


OS TRÊS CONFLITOS


O primeiro conflito, conhecido desde o fim do século passado, tem a ver com certas propriedades curiosas do movimento da luz. Em síntese, segundo as leis da mecânica de Newton, se você se deslocar com rapidez suficiente, poderá acompanhar um raio de luz, mas segundo as leis do eletromagnetismo, de James Clerk Maxwell, não. Como veremos no capítulo 2, Einstein resolveu esse conflito com a teoria da relatividade especial e, ao fazê-lo, aniquilou a nossa concepção do espaço e do tempo. De acordo com a relatividade especial, não se pode pensar no espaço e no tempo como conceitos universais e imutáveis, experimentados de maneira idêntica por todos. Ao contrário, o espaço e o tempo aparecem nos trabalhos de Einstein como elementos maleáveis, cuja forma e aparência dependem da situação do observador.
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