O Homem que Inventou a 26ª Dimensão
Como um cientista do qual você nunca ouviu falar tornou a Teoria das Cordas possível.
Crédito da imagem: Berkeley Center for Cosmological Physics, em http://aether.lbl.gov/bccp/dimensions.html .
Quando ele morreu em 7 de setembro de 2012, o físico teórico Claude W. Lovelace deixou para trás uma casa cheia de periquitos. Sem família ou companheiros próximos, o excêntrico professor de Rutgers adorava estar cercado por seus amigos coloridos de penas finas e ouvir música clássica enquanto contemplava as nuances da teoria do campo unificado. Um solitário não muito próximo de seus colegas, membros do departamento de Física e Astronomia ficaram surpresos e encantados quando ele testou toda a sua fortuna de US$ 1,5 milhão. Os fundos foram usados para ajudar a estabelecer posições dotadas em campos práticos da física, muito longe de seu próprio trabalho especulativo. Ele também deixou sua coleção de mais de 4.000 CDs clássicos para a Escola de Artes de Rutgers e doou seu corpo para a Escola de Medicina.
Crédito da imagem: Claude Lovelace com Periquito (cortesia de Rutgers), via http://www.physics.rutgers.edu/people/images/Lovelace_H.jpg .
Embora a morte de Lovelace tenha sido pouco notada na mídia - ele certamente não era bem conhecido mesmo entre os físicos fora da teoria das cordas - sem dúvida, uma de suas principais descobertas sobre o alto número de dimensões necessárias para a consistência da teoria das cordas teve um impacto crítico na história. do campo. O resultado surpreendente o estabeleceu como um dos teóricos mais influentes do início dos anos 1970. Os teóricos das cordas ainda lutam com suas repercussões.
Voltemos a 1970, quando a teoria das cordas estava em sua infância. Enquanto hoje em dia associamos cordas com tentativas de teorias de tudo, naquela época elas eram usadas (como o modelo de corda ) para caracterizar propriedades da força nuclear forte. Hoje sabemos que a interação forte, a força que cimenta os quarks em prótons e nêutrons, e estes, por sua vez, em núcleos atômicos, é transmitida por partículas de troca chamadas glúons. As interações quark-glúon criam uma situação chamada confinamento que impede que as partículas nucleares se desfaçam: se não fosse o confinamento QCD, os núcleos atômicos seriam instáveis e não estaríamos aqui.
Antes de quarks e glúons serem identificados, no entanto, o físico japonês Yoichiro Nambu e outros propuseram a teoria das cordas como uma maneira de explicar as poderosas ligações entre prótons, nucleons e outras partículas que experimentam a força forte, conhecidas em geral como hádrons. (A teoria reproduziu geometricamente uma abordagem anterior de Gabriele Veneziano chamada ressonância dupla.) Os pesquisadores modelaram essas ligações como cordas energéticas que vibravam em diferentes modos, como cordas de violão sendo tocadas de várias maneiras e produzindo diferentes harmônicos. Foi quando Lovelace entrou em cena como um jovem pesquisador precoce na esperança de fazer um grande avanço.
Crédito da imagem: Hadronic String ligando duas partículas, via http://int.phys.washington.edu/PROGRAMS/string.jpg .
Nascido na Inglaterra em 1934, Lovelace aprendeu relatividade geral aos 16 anos. Nessa época, ele e sua família haviam se mudado para a África do Sul, onde se matriculou na Universidade de Capetown. Ele retornou à Inglaterra em 1958 para seu trabalho de pós-graduação, realizado no Imperial College, Universidade de Londres, sob a supervisão do físico paquistanês Abdus Salam.
Crédito da imagem: Abdus Salam através da fundação Alfred Nobel, http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1979/salam.jpg .
Como Lovelace lembrou em uma entrevista por e-mail que fiz com ele em julho de 2003,
Eu fui uma criança precoce. Li Einstein e Dirac aos 16-17 anos e fiz algumas tentativas muito amadoras de construir teorias de campo unificadas. Isso provavelmente me azedou com eles mais tarde. Salam, que mais tarde dividiu o Nobel por unificar interações fracas e eletromagnéticas, foi meu orientador de tese, mas não me interessei muito por suas especulações mais loucas.
Nunca concluindo seu doutorado, Lovelace deixou a Imperial para um cargo no CERN, onde começou a explorar uma questão irritante com a teoria das cordas hadrônicas. Os pesquisadores começaram a usar cordas abertas, com pontas soltas, e cordas fechadas, conectadas em loop, para modelar dois tipos de interações, conhecidas então como Reggeons e Pomerons, respectivamente. Construir uma teoria de campo realista de Pomerons exigia uma propriedade chamada unitaridade: uma condição matemática pela qual os comprimentos dos vetores são preservados durante as transformações. Um operador unitário gira um vetor em torno de um espaço abstrato como uma agulha girando em uma bússola. Enquanto a agulha gira, ela mantém o mesmo comprimento.
Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Dave3457 .
Da mesma forma, os operadores unitários podem alterar os componentes de um vetor, mas sua magnitude permanece a mesma. Preservar magnitudes na teoria quântica geralmente significa manter as mesmas probabilidades gerais e, assim, exibir propriedades físicas semelhantes. Caso contrário, fenômenos estranhos podem simplesmente aparecer do nada sem justificativa física. Por essa razão, a unitaridade era um requisito básico de uma teoria crível.
Os teóricos tentaram sem sucesso projetar uma teoria de cordas fechadas de Pomeron que fosse unitária nas quatro dimensões comuns do espaço-tempo. Em vez disso, a teoria produziu monstruosidades chamadas táquions que desafiavam a lei de causa e efeito. Um táquion é uma partícula ou campo que viaja mais rápido que a luz e, portanto, retrocede no tempo. Enquanto alguns pesquisadores, como Gregory Benford, especularam sobre suas propriedades, elas nunca foram aceitas como parte das teorias físicas realistas. A maioria dos físicos acredita que a única maneira viável de ter uma teoria física com táquions é se eles se desacoplam da teoria, o que significa que eles não afetam os fenômenos observáveis – coisas como seções transversais e amplitudes de dispersão – que surgem a partir dele. (Além de artigos acadêmicos sobre táquions, Benford também escreveu um conto chamado Antitelefone Taquiônico sobre violações de causalidade por meio de comunicação inversa no tempo.)
Crédito da imagem: O filósofo da ciência John Norton descreve a natureza paradoxal dos táquions neste diagrama: http://www.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters_2013_Jan_1/spacetime_tachyon/tachyon_paradox.gif .
Em um momento de revelação, Lovelace de repente percebeu que a solução para o problema estava bem na sua cara. Suponha que se relaxe a suposição de que as cordas vivem em um mundo quadridimensional. Ele aumentou as dimensões de seus arredores cada vez mais alto, e descobriu que precisamente em D = 26 o problema taquiônico desapareceu e a unitaridade foi restaurada. Ele mal podia acreditar em um resultado tão estranho.
Ele sabia que tentativas anteriores de unificar as leis da natureza às vezes faziam uso de uma dimensão extra invisível. O trabalho de Theodor Kaluza e Oskar Klein fez uso independente de uma quinta dimensão nos esforços para unir gravitação com eletricidade em extensões da relatividade geral. Até mesmo Einstein tentou a unificação de cinco dimensões durante os anos 1930 e início dos anos 1940, antes de abandonar a ideia e se voltar para outras abordagens unificadas. No entanto, foi um grande salto de 5 dimensões para 26; o último parecia ridiculamente alto.
Lovelace deu uma palestra sobre seu trabalho em um seminário de Princeton em dezembro de 1970. Não correu bem. Lembro-me de ter tido uma recepção ruim, disse Lovelace. Eu usei as 26 dimensões como uma piada, e isso de fato produziu risos.
No entanto, ele publicou seu resultado em um artigo intitulado Fatores de forma Pomeron e cortes duplos de Regge. Apareceu no prestigioso Physical Review Letters em 1971, garantindo uma ampla audiência. Embora achando que era bobagem ele ter enterrado o resultado D = 26 no final do artigo, os teóricos das cordas notaram e ficaram surpresos.
O artigo de Lovelace foi um choque para todos, lembrou o físico do Caltech John Schwarz, que estava então em Princeton, durante uma palestra em 2000, já que até então ninguém considerava permitir que a dimensão do espaço-tempo fosse qualquer coisa além de quatro. Afinal, estávamos fazendo física de hádrons, e quatro certamente era a resposta certa.
Crédito da imagem: John Schwarz, via https://en.wikipedia.org/wiki/John_Henry_Schwarz#mediaviewer/File:John_Schwarz_%28Australia_1988%29.jpg .
Schwarz tornou-se um dos principais desenvolvedores da teoria das supercordas, uma versão da teoria das cordas que modelava não apenas transportadores de forças com cordas, mas também partículas. As supercordas utilizavam a supersimetria — uma forma hipotética de transformar campos que representam forças em campos que representam partículas e vice-versa. Um bônus é que a teoria previu naturalmente a existência de portadores de força com uma propriedade quântica chamada spin de dois. Spin dois campos combinam com as características dos grávitons, os portadores propostos da interação gravitacional. Por essa razão, as supercordas passaram a ser vistas como um caminho possível para unificar todas as forças naturais: a gravidade, juntamente com o eletromagnetismo, a força forte e a força fraca.
Os pesquisadores descobriram a dimensionalidade na qual a teoria das supercordas seria consistente. Acabou sendo D = 10. Talvez se Lovelace não tivesse produzido seu resultado anterior, a ideia de olhar para um número tão alto de dimensões pareceria absurda. No entanto, com 26 como comparação, 10 pareciam mais razoáveis. A teoria M mais tarde adicionou uma dimensão extra, definindo 11 como a norma. Todas, exceto 4 dessas dimensões, estariam enroladas ou inacessíveis; é por isso que não os experimentamos diretamente.
Crédito da imagem: cortesia da Rutgers University, via http://news.rutgers.edu/news-releases/2011/12/rutgers-receives-1-5-20111202#.U9_-GoBdWD4 .
Lovelace mudou-se para Rutgers em 1971 e, apesar de não ter doutorado, obteve uma cátedra. Ele permaneceu lá durante toda a sua carreira, lutando com as nuances de várias versões da teoria das cordas, enquanto seus periquitos brincavam com seu próprio tipo de barbante. A tensão dos quartetos de cordas tocados em seu CD player enchia seus aposentos contemplativos. Embora, como Einstein, ele nunca tenha alcançado a unidade, ele encontrou grande alegria na jornada.
Este post foi escrito por Paul Halpern , Professor de Física da Universidade de Ciências da Filadélfia, PA. Siga os tweets de Paul em @phalpern .
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