A Teoria das Cordas foi criada cerca de 30 anos atrás com a promessa de resolver problemas complicados da física fundamental, como a incompatibilidade notória entre o espaço-tempo perfeito de Einstein e os pedaços quantificados de material que compõe tudo nesse mesmo espaço-tempo.
A teoria era simples demais para não ser verdade: bastava substituir partículas infinitamente pequenas com pequenos (mas finitos) pedaços de corda vibrantes. As vibrações produziriam harmonia ente todos os ingredientes necessários para preparar o mundo cognoscível.
Evitar o infinitamente pequeno significava evitar uma variedade de catástrofes. Por um lado, a incerteza quântica não poderia rasgar o espaço-tempo em pedaços. Por outro, era uma teoria funcional da gravidade quântica.
Mas…
Nem tudo são rosas. A teoria veio com implicações perturbadoras. As cordas eram pequenas demais para serem detectadas por experiências, e existiam em até 11 dimensões do espaço.
Por um tempo, muitos físicos acreditavam que a Teoria das Cordas renderia uma maneira única de combinar a mecânica quântica e a gravidade. “Havia uma esperança”, disse David Gross, ganhador do Prêmio Nobel e membro permanente do Instituto Kavli de Física Teórica na Universidade da Califórnia, em Santa Barbara, nos EUA. “Nós até pensamos por um tempo em meados dos anos 80 que era uma teoria única”.
Em seguida, os físicos começaram a perceber que o sonho de uma teoria singular era uma ilusão. As complexidades da hipótese, todas as suas permutações possíveis, recusavam-se a se reduzir a um único momento que descrevesse o nosso mundo.
“Depois de um certo ponto no início dos anos 90, as pessoas desistiram de tentar conectá-la ao mundo real”, explicou Gross. “Os últimos 20 anos têm sido realmente uma grande extensão de ferramentas teóricas, mas muito pouco progresso na compreensão do que realmente está lá fora”.
Transformação
Conforme amadurecia, a Teoria das Cordas ficou difícil de manusear, mas muito influente. Seus tentáculos atingiram tão profundamente tantas áreas da física teórica que ela tornou-se quase irreconhecível.
A matemática que saiu da teoria foi colocada em uso em diversos campos, como a cosmologia e física da matéria condensada – o estudo de materiais e suas propriedades. Ficou tão onipresente que “é difícil dizer onde você deve desenhar o contorno e determinar: esta é a teoria das cordas; esta não é a teoria das cordas”, argumentou Douglas Stanford, um físico do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, nos EUA.
“Ninguém sabe se dizer o que é um teórico das cordas mais”, complementou Chris Beem, um físico matemático da Universidade de Oxford, no Reino Unido. “Tornou-se muito confuso”.
A antes harmoniosa Teoria das Cordas hoje parece quase fractal. O resultado é que esses minúsculos laços de corda nem sequer aparecem mais nas conferências sobre o assunto – mas um pouco da hipótese pode ser visto em diversas outras teorias.
Física teórica
Conforme as ferramentas matemáticas da teoria são adotadas em todas as ciências, os estudiosos têm dificuldade em lidar com a tensão central da hipótese: ela pode atender sua promessa inicial? Pode conciliar gravidade e mecânica quântica?
“O problema é que a teoria existe no campo da física teórica”, disse Juan Maldacena, um físico matemático do Instituto de Estudos Avançados de Princeton e talvez a figura mais proeminente no campo hoje. “Mas nós ainda não sabemos como se conecta com a natureza como uma teoria da gravidade”.
Um ponto alto para a Teoria das Cordas como uma “teoria de tudo” veio no final de 1990, quando Maldacena revelou que a hipótese, incluindo a gravidade em cinco dimensões, era equivalente a uma teoria quântica de campos em quatro dimensões. Esta dualidade forneceu uma espécie de mapa para entender a gravidade, a parte mais intransigente do quebra-cabeça, relacionando-a com uma teoria quântica de campos já bem compreendida.
Esta correspondência não foi pensada como um modelo perfeito do mundo real. O espaço de cinco dimensões em que trabalha tem uma geometria estranha que não é remotamente parecida com o nosso universo.
Mas os pesquisadores ficaram surpresos quando cavaram profundamente no outro lado da dualidade: ficou claro que compreendíamos a teoria quântica de campos de uma forma muito limitada, quando pensávamos que já sabíamos tudo sobre ela.
Teoria quântica de campos
A teoria quântica de campos foi desenvolvida na década de 1950 para unificar a relatividade especial e a mecânica quântica.
Hoje, quando os físicos revisitam partes que pensam que compreenderam 60 anos atrás, encontram “estruturas impressionantes” que aparecem como uma surpresa completa.
Pesquisadores desenvolveram um grande número de teorias quânticas de campo na última década, cada uma usada para estudar diferentes sistemas físicos.
Você começa com um tipo simplificado da teoria quântica de campos que se comporta da mesma maneira em pequenas e grandes distâncias. Se estes tipos específicos de teorias podem ser perfeitamente compreendidos, respostas a perguntas profundas podem se tornar claras.
O mesmo pode ser feito com a Teoria das Cordas. Essas simplificações deliberadas são chamadas de “modelos de brinquedo”. São características irrealistas utilizadas para tornar as teorias mais fáceis de lidar, ou seja, para tornar um monte de coisas calculáveis.
Modelo de brinquedo
Modelos de brinquedos são ferramentas padrão na maioria dos tipos de pesquisa. Mas há sempre o medo de que o que se aprende a partir de um cenário simplificado não se aplique ao mundo real.
“É como um pacto com o diabo”, disse Beem. “A Teoria das Cordas é um conjunto muito menos rigorosamente construído de ideias do que a teoria quântica de campos, então você tem que estar disposto a relaxar seus padrões um pouco. Mas você é recompensado por isso. Dá-lhe um bom contexto, maior, no qual trabalhar”.
Matemática
Talvez o campo que ganhou mais a partir da Teoria das Cordas seja a própria matemática. O que pareciam ser antes problemas intratáveis foram resolvidos ao imaginar como a questão pode parecer uma corda.
Por exemplo, quantas esferas cabem dentro de um coletor de Calabi-Yau – a forma dobrada complexa esperada para descrever como o espaço-tempo é compactado? Os matemáticos não sabiam.
Usando a intuição física oferecida pela Teoria das Cordas, porém, os físicos produziram uma poderosa fórmula para obter a resposta a essa questão, e muito mais.
Após os teóricos encontrarem uma resposta, os matemáticos a provaram em seus próprios termos. A solução era correta e até gerou prêmios.
Cosmologia, multiverso, descrições de fenômenos
A teoria das cordas também fez contribuições essenciais para a cosmologia. O papel que a Teoria das Cordas tem desempenhado na reflexão sobre mecanismos por trás da expansão inflacionária do universo é surpreendentemente forte.
Modelos inflacionários se emaranharam na Teoria das Cordas de várias maneiras, não menos do que o multiverso – a ideia de que o nosso universo é um de uma série talvez infinita de universos, criado pelo mesmo mecanismo que gerou o nosso próprio. O efeito de seleção seria uma explicação muito natural de por que o nosso mundo é do jeito que é: em um universo muito diferente, não estaríamos aqui para contar a história.
No mínimo, a versão madura da Teoria das Cordas – com suas ferramentas matemáticas que permitem que os pesquisadores olhem para os problemas de novas maneiras – tem proporcionado poderosos métodos para ver como descrições aparentemente incompatíveis da natureza podem ser ambas verdadeiras.
A descoberta de descrições duplas do mesmo fenômeno resume isso. Um século e meio atrás, James Clerk Maxwell viu que a eletricidade e o magnetismo eram dois lados da mesma moeda. A teoria quântica revelou a conexão entre partículas e ondas.
Agora, os físicos têm cordas. Se é muito difícil ir de A para B utilizando a teoria quântica de campos, é só reimaginar o problema com a Teoria das Cordas, e temos um caminho.
Não é tudo, mas é algo
Em cosmologia, a Teoria das Cordas “empacota” modelos físicos de uma forma que é mais fácil pensar sobre eles. Pode demorar séculos para unir todos esses fios soltos e tecer um quadro coerente, mas jovens pesquisadores não estão incomodados.
Isso porque sua geração nunca pensou que a Teoria das Cordas iria resolver tudo. É como um grande jogo de palavras cruzadas ainda não terminado, mas que faz cada vez mais sentido conforme você o resolve.
Talvez simplesmente ainda não seja possível captar o universo de uma forma facilmente definida, autossuficiente. Einstein também tentou e não conseguiu encontrar uma teoria de tudo, e isso não diminui em nada a sua genialidade.
Talvez a imagem real seja mais parecida com os mapas em um atlas, cada um oferecendo diferentes tipos de informação. Usá-lo vai exigir fluência em muitas línguas e muitas abordagens, tudo ao mesmo tempo. Mas isso não significa que não seja uma unidade. [QuantaMagazine]