por Brian Greene
No ano 1919 um virtualmente desconhecido matemático alemão chamado Theodor Kaluza sugeriu um idéia atrevida, de certo modo bizarra. Ele propôs que nosso universo deveria realmente ter mais dimensões do que as três que todos nós já conhecemos. Isto é, em adição à esquerda, direita, trás, frente, cima e baixo, Kaluza propôs que deveriam haver dimensões adicionais de espaço. Que por alguma razão nós não vemos. Agora, quando alguém formula uma idéia atrevida e bizarra, algumas vezes é apenas isso: atrevida e bizarra, mas não tem nada a ver com o mundo à nossa volta. Essa particular idéia, entretanto -- apesar de nós ainda não sabermos se está certa ou errada, e no fim nós iremos discutir experimentos nos quais, nos próximos anos, possam nos dizer se é certa ou errada -- essa idéia teve um impacto majoritário na física no último século e continua a dar informações a muitas pesquisas de ponta.
Então eu gostaria de contar a vocês algo sobre a história dessas dimensões extras. Então, onde vamos nós? Para começar nós precisamos de um pouco de história. Voltemos a 1907. Esse é o ano em que Einstein está radiante por ter descoberto a teoria especial da relatividade e decide embarcar em um novo projeto -- tentar entender completamente a grande e penetrante força da gravidade. E naquele momento, havia muitas pessoas do meio que achavam que o projeto já havia sido resolvido. Newton havia dado ao mundo a teoria da gravidade no fim de 1600 e funciona bem, descreve o movimento dos planetas, o movimento da lua e assim por diante, o movimento de maçãs apócrifas caindo de árvores, acertando pessoas na cabeça. Tudo que poderia ser descrito usando o trabalho de Newton.
mas Einstein percebeu que Newton deixou algo fora da história, por que Newton tinha escrito que apesar de ele entender como calcular o efeito da gravidade, ele era incapaz de visualizar como ela realmente funciona. Como é que o Sol, a 149 milhões de quilômetros, de certo modo afeta o movimento da Terra? Como o Sol alcança através de um espaço vazio, inerte e exerce influência? E essa é uma tarefa para qual Einstein se colocou: visualizar como a gravidade funciona. E permita-me mostrar-lhes o que ele encontrou. Então Einstein encontrou que o meio que transmite a gravidade é o próprio espaço. A idéia é esta: Imagine que o espaço é um substrato de tudo que existe.
Einstein disse que o espaço é perfeito e plano, se não há matéria presente. Mas se há matéria no ambiente, como o Sol, isso obriga o tecido do espaço a deformar, a curvar. E isso transmite a força da gravidade. Mesmo a Terra deforma o espaço à sua volta. Agora olhe a Lua. A Lua é mantida em órbita, de acordo com essas idéias, porque ela rola ao longo de um vale no ambiente curvo que o Sol e a Lua e a Terra podem todos criar em virtude da sua presença. Nós temos uma vista no quadro completo disso. A própria Terra é mantida em órbita porque ela rola ao longo de um vale no ambiente que está curvado por causa da presença do Sol. Esta é essa nova idéia de como a gravidade realmente funciona.
Agora, essa idéia foi testada em 1919 através de observações astronômicas. Ela realmente funciona. Ela descreve os dados. E isso elevou a proeminência de Einstein ao redor do mundo. E isso é o que fez Kaluza pensar. Ele, como Einstein, estava na busca de algo que chamamos a "teoria unificada". É a teoria que seja capaz de descrever todas as forças da natureza com um conjunto de idéias, um conjunto de princípios, uma equação mestre, se você quiser. Então Kaluza disse a si mesmo, Einstein foi capaz de descrever a gravidade em termos de deformações e curvas no espaço -- espaço e tempo, de fato, para ser mais preciso. Talvez eu possa jogar o mesmo jogo com a outra força conhecida, que era, naquela época, conhecida como a força eletromagnética -- nós conhecemos outras hoje, mas naquele tempo ela era a única outra em que se pensava. Você sabe, as forças responsáveis pela eletricidade e atração magnética e assim por diante.
Então Kaluza diz, talvez eu possa jogar o mesmo jogo e descrever a força eletromagnética em termos de deformações e curvas. Isso levanta a questão: deformações e curvas em que? Einstein já havia usado o espaço e tempo, deformações e curvas, para explicar a gravidade. Não parecia haver nada mais para deformar ou curvar. Então Kaluza disse, bem, talvez hajam mais dimensões de espaço. Ele disse, se eu quero descrever mais uma força, talvez eu precise de mais uma dimensão. Então ele imaginou que o mundo tivesse quatro dimensões de espaço, não três, e imaginou que o eletromagnetismo era deformações e curvas nessa quarta dimensão. Agora, o negócio é o seguinte: quando ele escreveu as equações descrevendo as deformações e curvas em um universo com quatro dimensões de espaço, não três, ele descobriu que as velhas equações que Einstein havia derivado em três dimensões -- que eram para a gravidade -- mas ele encontrou uma equação a mais por causa da dimensão a mais. E quando ele olhou para aquela equação, ela era nenhuma outra senão a equação que os cientistas já conheciam há muito e que descrevia a força eletromagnética. Estonteante -- ela simplesmente apareceu. Ele ficou tão entusiasmado por essa realização que ele correu por sua casa gritando: "Vitória!" pois ele havia encontrado a teoria unificada.
Agora, claramente, Kaluza era um homem que levava a teoria muito a sério. Ele, de fato -- há uma história de quando ele queria queria aprender a nadar, ele leu um livro, um tratado em natação, [risadas] -- e mergulhou no oceano. Este é um homem que arriscaria sua vida por uma teoria. Agora, mas para aqueles de nós que têm a mente um pouco mais prática, duas questões imediatamente se erguem dessa observação, Nº1: se há mais dimensões de espaço, onde elas estão? Não parece que as vemos. E nº2: a teoria realmente funciona em detalhe, quando você tenta aplicá-la para o mundo à nossa volta? Agora a primeira questão foi respondida em 1926 por um camarada chamado Oskar Klein. Ele sugeriu que essas dimensões deveriam vir em duas variantes -- deveriam haver as dimensões grandes e fáceis de ver, mas deveriam haver também as dimensões pequenas e enroladas, tão enroladas, mesmo à toda nossa volta, que nós não vemos.
Deixem-me mostrar-lhes essa visualmente. Então imagine que você está olhando para algo como um cabo que sustenta um semáforo. É Manhattan. Você está no Central Park -- isso é meio irrelevante -- mas o cabo parece ter apenas uma dimensão de um ponto de vista distante, mas vocês e eu, todos sabemos que ele tem que ter certa espessura. É muito difícil de ver, pois, de longe. Mas se nós ampliamos e tomamos a perspectiva de, digamos, uma pequena formiga andando ao redor -- pequenas formigas são tão pequenas que elas podem acessar todas as dimensões -- o comprimento, mas também essa direção horária e anti-horária. Espero que vocês apreciem. Me tomou muito tempo fazer as formigas andarem assim.
[risadas]
Mas isso ilustra o fato de que dimensões podem ser de dois tipos: Grandes e pequenas. E a idéia de que talvez as grandes dimensões à nossa volta são as que nós facilmente podemos ver, mas podem haver dimensões adicionais, enroladas, como a parte circular daquele cabo, tão pequenas que elas ficaram até então invisíveis. Deixem-me mostrar-lhes como elas podem parecer. Se nós dermos uma olhada, digamos, ao próprio espaço - Eu posso apenas mostrar, claro, duas dimensões em uma tela. Alguns de vocês vão consertar isso um dia, mas nada que não seja plano em uma tela é uma nova dimensão, que diminui, diminui, diminui, e muito abaixo nas profundezas microscópicas do próprio espaço -- essa é a idéia: você pode ter dimensões adicionais enroladas.
Aqui está uma pequena forma circular -- tão pequena que nós não vemos. Mas se você fosse uma formiga ultramicroscópica andando por aí, você poderia andar nas grandes dimensões que todos nós conhecemos -- que seria a parte da grade -- mas você pode também acessar as dimensões pequenas e enroladas que são tão pequenas que nós não podemos ver a olho nu ou mesmo com qualquer de nossos equipamentos refinados. Mas profundamente pregada no tecido do próprio espaço, a idéia é que podem haver mais dimensões, como vemos aí. Agora há uma explicação sobre como o universo poderia ter mais dimensões além daquelas que nós vemos. Mas e sobre a segunda questão que eu perguntei: a teoria realmente funciona quando você tenta aplicá-la ao mundo real?
Bem, acontece que Einstein e Kaluza e muitos outros trabalharam em tentar refinar essa grade e aplicá-la à física do universo como era entendido àquele tempo e em detalhe ela não funcionou. Em detalhe, para seu conhecimento, eles não conseguiram que a massa do elétron funcionasse corretamente nessa teoria. Então muitas pessoas trabalharam nisso, mas pelos anos 40, certamente pelos 50, essa idéia estranha, mas muito atraente, de como unificar as leis da física, se foi. Até que algo admirável aconteceu em nossa época. Em nossa era, uma nova tentativa para unificar as leis da física é perseguida por físicos como eu mesmo, muitos ao redor do mundo, é chamada Teoria das Supercordas, como vocês estavam esperando. E a coisa adimirável é que a teoria das supercordas não tinha nada a ver a priori com essa idéia de dimensões extras, mas quando nos estudamos a teoria das supercordas, nós percebemos que ela revive a idéia em uma forma nova e cintilante.
Então deixem-me apenas contar-lhes como ela é. Teoria das supercordas -- o que é isso? Bem, é uma teoria que tenta responder a questão: Qual são os constituintes básicos, fundamentais, indivisíveis, incortáveis fazendo tudo no mundo à nossa volta? A idéia é assim: Então nos imagine olhando a um objeto familiar, apenas uma vela em seu suporte, e imagine que nos queremos visualizar do que isto é feito. Então nós vamos a uma jornada profunda dentro do objeto e examinar seus constituintes. Então lá no fundo -- nós todos sabemos se você for suficientemente dentro, você tem átomos. Nós também sabemos que os átomos não são o fim da história. Eles têm pequenos elétrons que fazem um enxame em volta do núcleo central com nêutrons e prótons. Mesmo os nêutrons e prótons tem partículas menores dentro deles conhecidas como quarks. Neste lugar as idéias convencionais param.
Aqui está a nova idéia da teoria das cordas. Muito dentro de qualquer uma dessas partículas, há algo mais. Esse algo mais é esse filamento dançante de energia. Ele se parece com uma corda vibrando; é daí que a idéia de teoria das cordas vem. E exatamente como as cordas vibrantes que vocês acabaram de ver no violoncelo (apresentação anterior) que podem vibrar em padrões diferentes, estas também podem vibrar em diferentes padrões. Elas não produzem notas musicais diferentes. Ao invés, elas produzem as diferentes partículas que fazem o mundo à nossa volta. Então, se essas idéias estão corretas; isto é como a paisagem ultra-microscópica do universo deve parecer. É construída por um enorme número desses pequenos minúsculos filamentos de energia vibrante, vibrando em frequências diferentes. As frequências diferentes produzem as diferentes partículas; As diferentes partículas são responsáveis por toda riqueza no mundo à nossa volta.
E aí você vê unificação, porque partículas de matéria, elétrons e quarks, partículas de radiação, fótons, grávitons, são todos construídos de uma entidade. Então matéria e as forças da natureza são todas colocadas juntas sob a rubrica de cordas vibrantes. E isso é o que entendemos por uma teoria unificada. Agora aqui está a pegada. Quando você estuda a matemática da teoria das cordas, você descobre que ela não funciona em um universo que tenha apenas três dimensões de espaço. Ela não funciona em um universo com quatro dimensões de espaço, nem cinco, nem seis. Finalmente, você pode estudar as equações, e mostrar que elas funcionam, apenas em um universo que tenha 10 dimensões de espaço. e uma dimensão de tempo. Isso nos leva de volta à idéia de Kaluza e Klein -- que nosso mundo, quando descrito apropriadamente, tem mais dimensões além daquelas que podemos ver.
Agora você pode pensar sobre e dizer, bem, OK, você sabe, se você tem mais dimensões, e elas são realmente bem enroladas, sim, talvez nós não as veremos se elas forem suficientemente pequenas. Mas, se há uma pequena civilização de homenzinhos verdes andando lá, e você faz eles pequenos o suficiente que nós não poderemos vê-los também, isso é verdade. Uma das outras predições da teoria das cordas -- não, isso não é uma das predições da teoria das cordas.
[risadas]
Mas, isso levanta a questão: estamos nós apenas tentando esconder essas dimensões extras, ou elas dizem algo sobre o mundo? E no tempo que me resta, eu gostaria de contar-lhes duas características delas. A primeira é, muitos de nós acreditam que essas dimensões extras guardam a resposta para o que talvez seja a questão mais profunda na física teórica, ciência teórica. E a questão é esta: quando nós olhamos o mundo à nossa volta, como cientistas têm feito pelos últimos 100 anos, parece haver mais ou menos 20 números que realmente descrevem o universo. São números como a massa das partículas, como elétrons e quarks, a intensidade da gravidade, a intensidade da força eletétromagnética -- uma lista de mais ou menos 20 números que têm sido medidos com uma incrível precisão, mas ninguém tem uma explicação do porque os números têm esses particulares valores que ele têm.
Agora, oferece a teoria das cordas uma resposta? Não ainda. Mas nós acreditamos que a resposta para o porquê desses números terem os valores que têm pode estar na forma dessas dimensões extras. E a coisa admirável é, se esses números tivessem quaisquer outros valores diferentes dos conhecidos, o universo, como nós conhecemos, não existiria. É uma questão profunda. Por que esses números tão finamente sintonizados para permitir as estrelas brilharem e os planetas se formar, quando nós reconhecemos que, se você embaralhar esses números -- se eu tivesse 20 marcações aqui e deixasse você você vir e bagunçar esses números, a mínima bagunça faz o universo desaparecer. Então, podemos nós explicar esses 20 números? E a teoria das cordas sugere que esses 20 números têm a ver com dimensões extras. Deixe-me mostrar-lhes como. Então quando nós falamos de dimensões extras na teoria das cordas, não é apenas uma dimensão extra, como nas velhas idéias de Kaluza e Klein. É isto que a teoria das cordas diz sobre dimensões extra.♫ Elas têm uma muito rica geometria entrelaçada.
Esse é um exemplo de algo conhecido como forma Calabi-Yau -- o nome não é de todo importante. Mas como vocês podem ver, as dimensões extras dobram-se sobre si mesmas e entrelaçam de uma forma muito interessante, uma estrutura interessante. E a idéia é que se é assim que as dimensões extras parecem, então o a paisagem microscópica de todo o universo à nossa volta deve parecer com isso nas escalas minúsculas. Quando você balança sua mão, você estaria se movendo em torno dessas dimensões extras de novo e de novo, mas elas são tão pequenas que nós não poderíamos saber. Então qual é a explicação física, pois, relevante para esses 20 números.
Considerem isso. Se você olha para um instrumento, uma trompa, notem que as vibrações das correntes de ar são afetadas pela forma do instrumento. Agora na teoria das cordas, Todos os números são reflexões de como as cordas podem vibrar. Então exatamente como correntes de ar são afetadas pelas dobras e voltas no instrumento, as cordas em si serão afetadas pelos padrões vibracionais na geometria nas quais elas estão se movendo. Então deixe-me trazer algumas cordas à história. E se você assistir essas pequenas amigas vibrando por aí -- elas estarão aí em um segundo -- logo ali, note que o modo como elas vibram é afetado pela geometria das dimensões extras.
Então se nós soubéssemos exatamente como essas dimensões extras se parecem -- nós não sabemos ainda, mas se soubéssemos -- nós seríamos capazes de calcular as notas permitidas, os padrões vibratórios permitidos, E se nós pudermos calcular os padrões vibratórios permitidos, nós devemos ser capazes de calcular esses 20 números. E se a resposta que nós conseguirmos pelos cálculos concordar com os valores desses números que já foram determinados através de experimentação detalhada e precisa, isto de várias maneiras poderia ser a primeira explicação fundamental para o porquê de a estrutura do universo ser como é. Agora, o segundo problema com o qual eu desejo acabar é: Como podemos testar essas dimensões extras mais diretamente? É apenas uma estrutura matemática interessante que pode ser capaz de explicar algumas características inexplicadas do mundo, ou podemos nós realmente testar essas dimensões extras? E nós pensamos -- isto é, eu penso, muito entusiasmado -- que nos próximos cinco anos ou mais nós sejamos capazes de testar a existência dessas dimensões extras.
O negócio é o seguinte. No CERN, Genebra, Suíça, uma máquina está sendo construída chamada o Grande Colisor de Hádrons (LHC). É uma máquina que vai mandar partículas às voltas em um túnel, em sentidos opostos, próximas à velocidade da luz. Frequentemente essas partículas serão miradas uma à outra, de maneira que haja uma colisão frontal. A esperança é que se a colisão tiver energia suficiente, isso talvez expulse alguns dos escombros da colisão de nossa dimensão, forçando-os a entrar nas outras dimensões. Como nós saberemos isso? Bem, nós vamos medir a quantidade de energia após a colisão, comparar com a quantidade de energia anterior, e se tiver menos energia depois da colisão que antes, isso será evidência de que a energia desgarrou-se. E se desgarrou no padrão correto que nós possamos calcular, isso será evidência de que dimensões extras estão lá.
Deixem-me mostrar-lhes essa idéia visualmente. Então imagine que eu tenho um certo tipo de partícula chamada gráviton -- é um tipo de escombro que nós esperamos ser expelido se as dimensões extras forem reais. Mas é assim que o experimento será. Você pega essas partículas. Você as bate uma à outra. Você as bate uma à outra, e se nós estivermos certos, parte da energia da colisão vai em escombros que voam para dentro dessas dimensões extras. Então esse é o tipo de experimento que nós estaremos vendo nos próximos cinco, sete a 10 anos ou mais. E se esse experimento der frutos, se nós vermos esse tipo de partícula expelida por notar que há menos energia em nossas dimensões que quando começamos, isso irá mostrar que essas dimensões extras são reais.
E para mim isso é uma história realmente notável, e uma oportunidade notável. Voltando a Newton, com o espaço absoluto -- não forneceu nada além de uma arena, um palco nos quais os eventos do universo tomavam lugar. Einstein vem e diz, bem, espaço e tempo podem deformar-se e curvar-se, isso é a gravidade. E agora a teoria das cordas vem e diz, sim, gravidade, mecânica quântica, eletromagnetismo -- todos juntos em um pacote, mas apenas se o universo possuir mais dimensões além daquelas que podemos ver. E esse é um experimento que pode testá-las enquanto ainda vivemos. Uma possibilidade estonteante. Muito obrigado!
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