Teoria das cordas, buracos negros e realidade
Crédito da imagem: Série de Palestras Públicas do Perimeter Institute.
A teoria mais fantástica e especulativa do mundo de tudo o que é candidato pode lançar luz sobre os objetos mais invisíveis do Universo?
Eu só acho que muitas coisas boas aconteceram na teoria das cordas para que tudo esteja errado. Os humanos não entendem muito bem, mas eu simplesmente não acredito que exista uma grande conspiração cósmica que criou essa coisa incrível que não tem nada a ver com o mundo real. – Ed Witten
Se apenas a gentileza fosse um conjunto legítimo de critérios para saber se uma teoria é válida ou não! A teoria das cordas – ou mais precisamente, a hipótese das cordas – remonta a mais de 40 anos. No início da década de 1970, os físicos estudavam as novas partículas instáveis e de alta energia produzidas nos colisores: bárions (coleção de três quarks), antibárions (coleções de três antiquarks) e mésons (pares quark-antiquark).
Crédito das imagens: CPEP/NSF/DOE/LBL, Modelo Padrão de Partículas Fundamentais e Interações.
Não sabíamos com certeza sobre quarks e antiquarks na época, mas sabíamos que se você pegasse um méson e tentasse separá-lo, em algum momento ele quebraria e produziria dois mésons em vez de um. Se você pegar um ímã – com pólos norte e sul – e quebrá-lo, você acabará com dois ímãs, cada um com um pólo norte e um sul. Bem, os mésons parecem funcionar da mesma maneira, e é daí que vem a ideia da hipótese das cordas.
Crédito das imagens: Flip Tanedo de Quantum Diaries, via http://www.quantumdiaries.org/2010/10/22/qcd-and-confinement/ .
Em vez de ser feito de partículas elementares semelhantes a pontos, a ideia era que tudo seria feito de cordas, cordas abertas (lineares) ou cordas fechadas (em forma de laço), vibrando em diferentes frequências. Descobriu-se que essa ideia estava totalmente errada para os interiores de bárions e mésons: suas previsões teóricas, como a existência de novas partículas de spin-2, não foram confirmadas por experimentos. O modelo de cordas foi descartado, pois a cromodinâmica quântica (QCD) descreveu muito melhor as partículas pontuais encontradas na dispersão profunda e inelástica dentro dessas entidades.
Crédito da imagem: usuário Qashqaiilove da Wikipédia / Wikimedia Commons.
Mas em vez de ter cordas sendo importante em escalas ~MeV/GeV, onde os efeitos QCD dominam, percebeu-se que poderíamos aumentar a escala de energia para cordas até (ou perto) da escala de Planck: em torno de 10^19 GeV . As partículas de spin-2 que saem podem ser grávitons e, de repente, unificamos não apenas as forças eletromagnética e fraca, não apenas a força forte também, mas a gravidade. Todas as forças que observamos seriam versões de baixa energia e simetria quebrada de um modelo fundamental e abrangente: a teoria das cordas.
Crédito da imagem: Jeff Bryant da Wolfram/Mathematica.
Então essa é a ideia. Até agora, todas as suas previsões do que deveria ser potencialmente observável em nosso Universo – supersimetria, dimensões extras, novas partículas, novos decaimentos – não foram confirmadas. Cada observação é consistente com resultados nulos: nenhuma teoria das cordas. Mas talvez existam maneiras inteligentes de descobrir uma maneira pela qual a teoria das cordas pode resultar em um efeito observável que não é previsto pela física padrão no universo real.
Crédito das imagens: Série de Palestras Públicas do Perimeter Institute.
Mais tarde hoje — às 19:00 EDT / 16:00 PDT — Instituto Perimetral , Como parte de sua série de palestras , estará transmitindo a palestra da Dra. Amanda Peet sobre o tema Legos da teoria das cordas para buracos negros . A palestra promete discutir paradoxos relacionados aos buracos negros, e a paradoxo da informação em particular, e como a Teoria das Cordas pode fornecer um caminho para sua resolução.
Crédito da imagem: André Hamilton .
Apesar de meu status de cético que a teoria das cordas é relevante para o nosso Universo — Afinal, eu escrevi isso já está morto — Estou otimista de que esta palestra terá um conexão com observáveis , e uma forma de validar ou falsificar alguns aspectos dessa tão alardeada ideia.
Então, como assistir e vivenciar essa palestra? Ao vivo, com um blog ao vivo meu, acompanhando em tempo real, claro!
Eu tenho o webcast ao vivo abaixo (para ser substituído pelo link permanente do vídeo assim que a palestra terminar),
https://www.youtube.com/embed/6YT-xpSv9n4
e então estarei blogando ao vivo a palestra do Dr. Peet, assim como fiz dois outras do Perímetro no passado. Abra esta página em uma nova guia ou janela para continuar recarregando e acompanhando. Eu não posso esperar, e espero vê-lo lá!
15h54 — Vamos começar o blog ao vivo! Para deixá-lo animado, ouça a empolgação do Dr. Peet em explorar a natureza da própria física.
Por que as leis e constantes fundamentais existem como existem? Como eles deram origem ao Universo que temos hoje? Estas estão entre as maiores perguntas, e eu adoro o desejo do Dr. Peet de descobrir tudo!
15h57 — A Teoria das Cordas é um caminho possível para essas respostas? Essa é uma pergunta muito, muito boa. Tem sido por décadas: é um beco sem saída, é uma possibilidade matemática, é fisicamente relevante para o nosso Universo, ou é apenas especulação sem perspectiva de observáveis para o nosso Universo? Deixe-me encaminhá-lo para xkcd :
Crédito da imagem: Randall Munroe do xkcd, via https://xkcd.com/171/ .
Todos nós queremos saber.
15h59 — E vamos tirar as piadas do tipo você sabe o quê.
Crédito das imagens: Eu posso tem cheezburger.
16h01 — Ok, e se você nunca viu uma foto do interior do auditório do Perimeter Institute, aqui está uma: é embalado !
Crédito da imagem: captura de tela da transmissão ao vivo do instituto de perímetro.
16h04 — A Dra. Peet diz algo que eu realmente gostei para começar: aqui estão as duas coisas pelas quais ela está muito interessada — teoria das cordas e buracos negros — porque eles representam, de muitas maneiras, o possível campo de testes para a teoria das cordas. Afinal, se você quer ir além da Relatividade Geral para a gravitação, você precisa ir aos lugares onde a física clássica (não quântica) falha. Para gravidade, isso significa que você precisa de uma singularidade.
Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech .
E para conseguir isso, você precisa ir ao centro de um buraco negro: esse é o único lugar que você pode ir que você conhecer é real, e até (um pouco) acessível, e realmente encontra um lugar onde os efeitos quânticos gravitacionais - e, portanto, teóricos das cordas - podem ser importantes.
16h07 — Também gosto de como o Dr. Peet apresenta os três tipos diferentes de física quando se trata de investigar a teoria das cordas: experimental, teórica e computacional. O Dr. Peet apenas reconhece que eles são teóricos, como eu.
Crédito da imagem: captura de tela da transmissão ao vivo do instituto de perímetro.
Em astronomia, aliás, os três são: teórico, observacional e instrumental. Computacional é apenas um subconjunto teórico e observacional em astronomia/astrofísica, enquanto computacional - em física de partículas - é frequentemente uma parte muito importante do que chamamos de fenomenologia , que é onde a teoria se cruza com observáveis potencialmente experimentais.
16h10 - se você quiser uma imagem diferente das partículas fundamentais, recomendo esta imagem, que as divide de uma forma muito mais acessível do que os brinquedos estilo gorro que o Particle Zoo faz.
Crédito da imagem: Fermilab, modificado por E. Siegel.
16h15 — Dr. Peet diz algo importante: o que evidência temos que essas partículas fundamentais são pontuais, em vez de ter alguma estrutura não-zero-dimensional?
Bom, temos isso:
Crédito da imagem: Luz de Einstein, via http://www.phys.unsw.edu.au/einsteinlight .
Mas pense bem sobre isso: o LHC pode chegar a cerca de 10^-20 m, o que é minúsculo , cerca de 1/100.000 do tamanho de um próton. Mas se a escala da corda for menor do que isso - e pode ser tão pequeno quanto 10^-35 m - não saberíamos até chegarmos a essa escala de energia: possivelmente 10^14 vezes maior do que o LHC pode alcançar.
Seu possível , independentemente do que dizem nossas sensibilidades.
16h18 — isso é importante: você pode, na teoria das cordas, obter uma partícula de spin-2. Você também pode obter partículas de spin-1 (fótons, glúons, bósons W-e-Z) e partículas de spin-0 (bóson de Higgs). Dr. Peet não mencionou isso, mas você pode ter partículas fermiônicas (spin-1/2) lá também. Pierre Ramond, um físico da Universidade da Flórida (e um dos meus antigos professores de pós-graduação) foi a pessoa que descobriu isso.
16h20 — Se a teoria das cordas tivesse sido inventada primeiro [antes da gravidade], todos os teóricos das cordas teriam prêmios nobel.
Crédito da imagem: captura de tela da transmissão ao vivo do instituto de perímetro.
Isso é verdade, mas essa observação irônica desmente a dificuldade que tenho com a teoria das cordas no momento: ela precisa fazer mais do que apenas publicar dicções, ele precisa tornar real para dicções de fenômenos novos e observáveis. Caso contrário, é apenas uma ideia bonita e divertida.
16h23 — O Dr. Peet diz algo muito importante: a teoria das cordas permite que você construa uma teoria da gravidade melhor do que a física de partículas padrão. O incrível - e isso é um pouco profundo - é que a física de partículas padrão dá a você nenhuma teoria da gravidade em tudo . Você não ganha nada!
O que a Teoria das Cordas oferece a você? Pois te dá algo . Dá-lhe uma teoria da gravidade de Brans-Dicke (tensor escalar) de 10 dimensões. Se você retirar seis dessas dimensões e retirar o termo escalar – ambos necessários para concordar com as observações – você pode obter a Relatividade Geral de Einstein. Tem problemas, mas novamente: é possível .
16h28 — Você precisa fazer um modelo para descrever a realidade. Você não precisa ir além da física conhecida para entender isso. Eu quero que você pense em como é difícil calcular algo em Relatividade Geral.
Você já Faz 1? Bem, se você estudou física no ensino médio ou na faculdade, provavelmente calculou a força entre dois objetos usando a lei gravitacional de Newton. Você já fez isso usando as equações de Einstein?
Crédito da imagem: recuperada via http://quantum-bits.org/?p=116 .
Meu palpite é não, porque você não pode . Se você quer seu espaço-tempo vazio, é fácil. Isso é relatividade especial.
Quer colocar um ponto de massa lá? Sem problemas: levou um mês para Karl Schwarzschild obter essa solução.
Quer duas massas pontuais? Isso é impossível , e então tudo o que podemos fazer é fazer aproximações e modelos.
16h33 — buracos negros emitem radiação! Esta é a maior (e realmente, sua única grande) contribuição de Hawking para a astrofísica. É apenas radiação térmica, no entanto, com um espectro de corpo negro.
Crédito da imagem: E. Siegel.
Você pode calcular isso calculando a teoria de campo quântica apropriada no espaço-tempo curvo no/perto do horizonte de eventos do buraco negro. O problema é – e a informação paradoxo surge – quando você considera que o material que caiu tinha informação real: números quânticos conservados. Coisas como carga, carga de cor, massa, número bariônico, número lépton, número da família lépton, spin, etc.
Mas a radiação que sai come essa informação . Então ele é destruído? O que isso significa para a entropia/termodinâmica?
Este é o problema.
16h37 — por que você não pode usar a relatividade de Einstein para calcular a física dos buracos negros? Dr. Peet faz uma analogia colorida sobre lutar contra parceiros de casamento…
Crédito da imagem: o administrador da Linguagem do Desejo, via http://languageofdesirex.com/stop-fighting-save-relationship/ .
mas o verdadeiro problema é que a Relatividade Geral é — como afirma o Dr. Peet — uma teoria do muito massivo, enquanto a mecânica quântica é uma teoria do muito pequeno. O que fazemos quando obtemos algo muito grande em uma escala muito pequena? Bem... não sabemos. Obtemos singularidades ou coisas que não fazem sentido: densidades infinitas e respostas que são infinitas ou infinitesimais para quantidades que devo seja finito.
Então, o que precisamos? Realisticamente, uma teoria quântica da gravidade. A teoria das cordas, neste momento, pode ser a única candidata viável.
16h41 — Dr. Peet diz que a probabilidade precisa estar entre 0% e 100%. Eu me pergunto se eles já sentiram o precisar dar 110%?
Isso é impossível. Ninguém pode dar mais de cem por cento. Por definição, isso é o máximo que alguém pode dar.
16h45 — Então o que você tem em teoria das cordas? Bem, você pode ter cordas abertas, cordas fechadas e acoplamentos. Você também pode ter cordas abertas com terminais (é meio importante) e terminam em superfícies bidimensionais: branas.
Crédito da imagem: captura de tela da palestra do Perimeter Institute.
Você pode então perguntar: e onde terminam as branas? Eles precisam de superfícies tridimensionais para se prender? Bem, se forem branas abertas, sim. E essas 3-branas? Você vê onde isso está indo, e sua resposta é sim, seus piores medos tornar-se realidade.
16h48 — Agora, entramos no problema: o quantitativo trabalhar. Como obtemos um universo consistente com nosso Universo? Se queremos partir dos ingredientes da Teoria das Cordas, o que precisamos fazer para obter um Universo como o nosso?
Crédito da imagem: captura de tela da palestra do Dr. Peet.
Você precisa de um imenso número de branas, bem como - algo que o Dr. Peet não mencionou - acoplamentos muito específicos e valores de expectativa de vácuo. De onde vêm esses valores? Bem… você tem que escolhê-los. A teoria das cordas não fornece um mecanismo que as seleciona para você.
Parece - para mim , vou declarar - que você trocou um problema difícil por pelo menos outro problema difícil, e possivelmente muito mais difícil.
16h52 - Mas você posso construir um buraco negro que carrega momento, uma carga de uma brana e uma carga de cinco branas. A propósito, lembre-se de que nem todos os buracos negros precisam ter singularidades pontuais no centro. Buracos negros giratórios, por exemplo, têm singularidades que parecem anéis unidimensionais.
Crédito da imagem: Andrew Hamilton.
Surpreso que não temos uma menção de um one-brane ser interessante para isso!
16h55— A analogia LEGO usada pelo Dr. Peet pode explicar a radiação Hawking? Sim, mas são os LEGOs que você sempre pisa quando vai ao banheiro no meio da noite.
Crédito da imagem: captura de tela da palestra do Dr. Peet.
Desculpe, todos.
16h57 — Agora, vamos à ideia de um holograma. A teoria das cordas, como disse o Dr. Peet, tem mais dimensões do que o nosso Universo parece ter, e isso é uma coisa ruim . Mas talvez nosso Universo possa ser o que parece ser um espaço de três dimensões espaciais que tem muito mais dimensões, assim como os hologramas são na verdade bidimensionais, mas codificam as informações do nosso universo tridimensional.
Crédito da imagem: Matthew Brand, via http://www.fastcodesign.com/1671667/hypnotic-gifs-of-a-newly-invented-type-of-hologram .
O Dr. Peet está fazendo um bom trabalho explicando essa ideia.
17h01 — o que o Dr. Peet está falando, para hologramas, é conhecido como correspondência AdS/CfT, o que mostra que nosso quatro dimensional (3 espaço + 1 tempo) espaço-tempo - a teoria de campo conforme - é matematicamente equivalente a um cinco espaço-tempo dimensional anti-de Sitter. Isso é interessante! Mas também é preocupante... porque a teoria das cordas precisa esta ( ou 11) dimensões, não cinco, e porque nosso Universo tem um positivo constante cosmológica para a energia escura, não a negativa que vem com o espaço-tempo anti-de Sitter.
17h03 — Tenho que dar crédito por um início pontual e um término pontual. Mesmo que não houvesse conexão com observáveis, foi uma palestra muito interessante.
17h05 — O problema, como perguntado nas perguntas e respostas com o princípio holográfico, é que podemos só descer uma dimensão. Podemos ir de um espaço-tempo de 10 ou 11 dimensões para o nosso Universo de 4 dimensões? Isso é desconhecido.
17h08 — A teoria das cordas é falsificável? É ciência? Pode ser comprovado?
Nossa teoria pode explicar a maioria das coisas que vemos? Pode prever coisas novas que vemos?
Aqui está a coisa divertida: é posso ser falsificável. Você pode encontrar, por exemplo, não supersimetria em todas as escalas, e isso a falsificaria.
Crédito da imagem: DESY em Hamburgo.
Infelizmente, o Dr. Peet não está fazendo um argumento convincente de que a teoria das cordas pode ser validado de alguma forma, ou que pode fazer uma nova previsão que podemos testar.
17h11 — Gostaria que o Dr. Peet falasse sobre quais experimentos (ou quais assinaturas observacionais), por exemplo, invalidariam a teoria das cordas, como parte de sua resposta.
17h13 — Obrigado pela ótima palestra, Dr. Peet, obrigado ao Perimeter por me deixar hospedar e fazer este blog ao vivo, e obrigado por sua participação! Espero que você tenha aproveitado!
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