• Começa com um estrondo

Todas as nossas “teorias de tudo” provavelmente estão erradas. Aqui está o porquê

Por décadas, os teóricos vêm inventando 'teorias de tudo' para explicar nosso Universo. Todos eles estão completamente fora da pista?

Principais conclusões

• Por mais de 100 anos, o santo graal da ciência tem sido uma única estrutura que descreve todas as forças e interações do Universo: uma teoria de tudo.
• Embora o modelo original 'Kaluza-Klein' não pudesse explicar nossa realidade quântica, ideias como unificação eletrofraca, GUTs, supersimetria e teoria das cordas apontam para uma conclusão tentadora.
• Mas nosso Universo não oferece nenhuma evidência a favor dessas ideias; apenas nosso pensamento positivo faz isso. Existem outras tentativas de teorias de tudo, mas todas elas não têm mérito?

Ethan Siegel Compartilhe Todas as nossas “teorias de tudo” provavelmente estão erradas. Aqui está o porquê no Facebook Compartilhe Todas as nossas “teorias de tudo” provavelmente estão erradas. Aqui está o porquê no Twitter Compartilhe Todas as nossas “teorias de tudo” provavelmente estão erradas. Veja o porquê no LinkedIn

Nosso Universo, até onde sabemos, não faz sentido de uma forma extremamente fundamental. Por um lado, temos a física quântica, que faz um excelente trabalho ao descrever as partículas fundamentais e as forças eletromagnéticas e nucleares e as interações que ocorrem entre elas. Por outro lado, temos a Relatividade Geral, que — com igual sucesso — descreve a maneira como a matéria e a energia se movem no espaço e no tempo, bem como como o próprio espaço e o tempo evoluem na presença de matéria e energia. Essas duas maneiras separadas de ver o Universo, por mais bem-sucedidas que sejam, simplesmente não fazem sentido quando você as junta.

Quando se trata de gravidade, temos que tratar o Universo de forma clássica: todas as formas de matéria e energia têm posições e movimentos bem definidos no espaço e no tempo, sem incerteza. Mas na mecânica quântica, a posição e o momento não podem ser definidos simultaneamente para qualquer quantum de matéria ou energia; há uma contradição inerente entre essas duas formas de ver o Universo.

Por mais de 100 anos, os cientistas esperam encontrar uma “teoria de tudo” que não apenas resolva essa contradição, mas que explique todas as forças, interações e partículas do Universo com uma única equação unificadora. Apesar de uma miríade de tentativas de uma teoria de tudo, nenhuma delas nos trouxe mais perto de entender ou explicar nossa realidade real. Aqui está o porquê eles provavelmente estão errados.

Uma ilustração do espaço-tempo fortemente curvado para uma massa pontual, que corresponde ao cenário físico de estar localizado fora do horizonte de eventos de um buraco negro. À medida que você se aproxima cada vez mais da localização da massa no espaço-tempo, o espaço se torna mais curvado, levando a um local de onde nem a luz pode escapar: o horizonte de eventos. O raio desse local é definido pela massa, carga e momento angular do buraco negro, pela velocidade da luz e apenas pelas leis da Relatividade Geral. Notavelmente, se você substituir “r/R” pelo inverso dele, “R/r”, você pode mapear o interior de um buraco negro no exterior e vice-versa, transformando sua solução para um buraco negro em uma para um buraco branco.

Quando a Relatividade Geral surgiu em 1915, a revolução quântica já havia começado. A luz, descrita como uma onda eletromagnética por Maxwell no século 19, demonstrou exibir propriedades semelhantes a partículas também por meio do efeito fotoelétrico. Os elétrons dentro dos átomos só podiam ocupar uma série de níveis de energia discretos, demonstrando que a natureza era frequentemente discreta, nem sempre contínua. E os experimentos de dispersão mostraram que, em um nível elementar, a realidade era descrita por quanta individuais, possuindo propriedades específicas comuns a todos os membros de sua espécie.

No entanto, a Relatividade Geral de Einstein - que já havia unificado anteriormente a Relatividade Especial (movimento em todas as velocidades, mesmo próximo à velocidade da luz) com a gravitação - teceu um tecido quadridimensional do espaço-tempo para descrever a gravidade. Com base nisso, matemático Teodoro Kaluza , em 1919 deu um salto brilhante, mas especulativo: na quinta dimensão .

Ao adicionar uma quinta dimensão espacial às equações de campo de Einstein, ele poderia incorporar o eletromagnetismo clássico de Maxwell na mesma estrutura, com o potencial elétrico escalar e o potencial magnético de três vetores incluídos também. Esta foi a primeira tentativa de construir uma teoria de tudo: uma teoria que pudesse descrever todas as interações que estavam acontecendo no Universo com uma única equação unificadora.

Em teoria, pode haver mais de três dimensões espaciais em nosso Universo, desde que essas dimensões “extras” estejam abaixo de um certo tamanho crítico que nossos experimentos já sondaram. Há uma gama de tamanhos entre ~10^-19 e 10^-35 metros que ainda são permitidos para uma quarta (ou mais) dimensão espacial, mas nada que ocorra fisicamente no Universo pode depender dessa quinta dimensão .

Mas havia três problemas da teoria de Kaluza que apresentavam dificuldades.

1. Não havia absolutamente nenhuma dependência de qualquer coisa que observamos em nosso espaço-tempo quadridimensional na própria quinta dimensão; deve de alguma forma “desaparecer” de todas as equações que impactaram os observáveis ​​físicos.
2. O Universo não é simplesmente feito de eletromagnetismo clássico (de Maxwell) e gravidade clássica (de Einstein), mas exibia fenômenos que não podiam ser explicados por nenhum dos dois, como decaimento radioativo e quantização de energia.
3. E a teoria de Kaluza também incluía um campo “extra”: o dilaton, que não desempenhava papel nem no eletromagnetismo de Maxwell nem na gravidade de Einstein. De alguma forma, esse campo tem que desaparecer também.

Quando as pessoas se referem à busca de Einstein por uma teoria unificada, muitas vezes se perguntam: “Por que todos abandonaram o trabalho de Einstein após sua morte?” E esses problemas são parte do motivo: Einstein nunca atualizou suas atividades para incluir nosso conhecimento do Universo quântico. Assim que aprendemos que não eram apenas as partículas que tinham propriedades quânticas, mas também os campos quânticos - isto é, as interações invisíveis que permeavam até mesmo o espaço vazio eram de natureza quântica - tornou-se óbvio que qualquer tentativa puramente clássica de construir uma teoria de tudo necessariamente omitiria uma necessidade óbvia: a abrangência total do reino quântico.

A paridade, ou simetria do espelho, é uma das três simetrias fundamentais do Universo, juntamente com a reversão do tempo e a simetria da conjugação de carga. Se as partículas giram em uma direção e decaem ao longo de um eixo específico, lançá-las no espelho deve significar que elas podem girar na direção oposta e decair ao longo do mesmo eixo. Observou-se que esse não é o caso dos decaimentos fracos, que são as únicas interações conhecidas por violar a simetria de conjugação de carga (C), a simetria de paridade (P) e a combinação (CP) dessas duas simetrias também.

No entanto, outro caminho potencial para uma teoria de tudo estava começando a se revelar em meados do século 20: a noção de simetrias e quebra de simetria nas teorias quânticas de campos. Aqui em nosso Universo moderno de baixa energia, existem muitas maneiras importantes pelas quais a natureza não é simétrica.

• Os neutrinos são sempre canhotos e os antineutrinos são sempre destros, e nunca o contrário.
• Habitamos um Universo quase exclusivamente feito de matéria e não de antimatéria, mas onde todas as reações que sabemos criar apenas criam ou destroem quantidades iguais de matéria e antimatéria.
• E algumas interações – mais notavelmente, partículas interagindo através da força fraca – exibem assimetrias quando as partículas são substituídas por antipartículas, quando refletidas em um espelho ou quando seus relógios andam para trás em vez de para frente.

No entanto, pelo menos uma simetria que está muito quebrada hoje, a simetria eletrofraca, foi restaurada em épocas anteriores e em energias mais altas. A teoria da unificação eletrofraca foi justificada com a subsequente descoberta dos massivos bósons W e Z e, posteriormente, todo o mecanismo foi validado com a descoberta do bóson de Higgs.

Isso nos faz pensar: se as forças eletromagnética e fraca se unificam sob algumas condições iniciais de alta energia, a força nuclear forte e até mesmo a gravidade poderiam se unir a elas em uma escala ainda maior?

A ideia de unificação sustenta que todas as três forças do Modelo Padrão, e talvez até mesmo a gravidade em energias mais altas, são unificadas em uma única estrutura. Essa ideia, embora permaneça popular e matematicamente atraente, não possui nenhuma evidência direta que apoie sua relevância para a realidade.

Esta não foi uma ideia obscura que precisou de uma visão brilhante para chegar, mas sim um caminho que um grande número de físicos tradicionais seguiu: o caminho da grande unificação. Cada uma das três forças quânticas conhecidas pode ser descrita por um grupo de Lie da matemática da teoria dos grupos.

• O DELE(3) O grupo descreve a força nuclear forte, que mantém prótons e nêutrons juntos.
• O DELE(2) O grupo descreve a força nuclear fraca, responsável pelos decaimentos radioativos e pelas mudanças de sabor de todos os quarks e léptons.
• E a em 1) grupo descreve a força eletromagnética, responsável pela carga elétrica, correntes e luz.

O Modelo Padrão completo, então, pode ser expresso como DELE (3) ⊗ DELE (2) ⊗ EM (1), mas não da maneira que você pode pensar. Você pode pensar, vendo isso, aquilo DELE (3) = “a força forte”, DELE (2) = “a força fraca” e EM (1) = “a força eletromagnética”, mas isso não é verdade. O problema com essa interpretação é que sabemos que os componentes eletromagnéticos e fracos do Modelo Padrão se sobrepõem e não podem ser separados de forma clara. Portanto, o EM (1) parte não é puramente eletromagnética, e o DELE (2) parte não é puramente fraca; tem que haver mistura lá. É mais correto dizer que DELE (3) = “a força forte” e que DELE (2) ⊗ EM (1) = “a parte eletrofraca”, e é por isso que a descoberta dos bósons W e Z, mais o bóson de Higgs, foram tão importantes.

A estrutura de grupo do Modelo Padrão, SU(3) x SU(2) x U(1), pode ser incorporada em vários grupos maiores, incluindo SU(5) e SO(10). Em termos de diagramas de Dynkin, você deve “apagar” um ponto para recuperar o Modelo Padrão de SU(5) e dois pontos, em qualquer ordem de sua preferência, para recuperá-lo de SO(10). SO(10) também contém SU(5), e ambos contêm numerosas partículas para as quais não há evidência em nossos experimentos de física de partículas.

Parece uma extensão fácil, logicamente, que se esses grupos, combinados, descrevem o Modelo Padrão e as forças/interações que existem em nosso Universo de baixa energia, talvez haja algum grupo maior que não apenas contenha todos eles, mas que sob algum conjunto de condições de alta energia, representa uma força unificada “forte-eletrofraca”. Esta foi a ideia original por trás Teorias da Grande Unificação , o que seria:

• restaurar uma simetria esquerda-direita para a natureza, em vez da assimetria quiral encontrada no Modelo Padrão,
• ou, muito parecido com a tentativa original de Kaluza de unificação, necessita da existência de novas partículas: os superpesados ​​bósons X e Y, que se acoplam a quarks e léptons e exigem que o próton seja uma partícula fundamentalmente instável,
• ou exija ambos: uma simetria esquerda-direita e essas partículas superpesadas, talvez até mais.

No entanto, não importa quais experimentos realizamos sob quaisquer condições arbitrárias - incluindo os de maior energia vistos nos dados do LHC e das interações de raios cósmicos - o Universo ainda permanece fundamentalmente assimétrico entre as partículas canhotas e destras, essas novas partículas não são encontrados em lugar nenhum, e o próton nunca decai, com seu tempo de vida estabelecido em cerca de 10 ^{3. 4} anos. Esse último limite já é um fator de aproximadamente 10.000 mais rigoroso do que Georgi Glass Show DELE (5) unificação permite.

O conteúdo de partículas do grande grupo unificado hipotético SU(5), que contém a totalidade do Modelo Padrão mais partículas adicionais. Em particular, há uma série de bósons (necessariamente superpesados), rotulados como “X” neste diagrama, que contêm ambas as propriedades de quarks e léptons, juntas, e fariam com que o próton fosse fundamentalmente instável.

Esta é uma linha de pensamento sugestiva, mas quando você a segue até sua conclusão, as novas partículas e fenômenos previstos simplesmente não se materializam em nosso Universo. Ou algo os está suprimindo, ou talvez essas partículas e fenômenos não façam parte de nossa realidade.

Outra abordagem que foi tentada foi examinar as três forças quânticas dentro do nosso Universo e dar uma olhada específica na força de suas interações. Embora as forças nuclear forte, nuclear fraca e eletromagnética tenham diferentes forças de interação hoje, em energias (baixas) cotidianas, é sabido há muito tempo que as forças dessas forças mudam à medida que sondamos energias cada vez mais altas.

Em energias mais altas, a força forte fica mais fraca, enquanto as forças eletromagnética e fraca ficam mais fortes, com a força eletromagnética ficando mais forte mais rapidamente do que a força fraca à medida que avançamos para energias sucessivamente mais altas. Se incluirmos apenas as partículas do Modelo Padrão, a força de interação dessas forças quase se encontra em um único ponto, mas não totalmente; eles erram um pouco. No entanto, se adicionarmos novas partículas à teoria - que devem surgir em várias extensões do Modelo Padrão, como a supersimetria -, as constantes de acoplamento mudam de maneira diferente e podem até se encontrar, sobrepondo-se em alguma energia muito alta.

A execução das três constantes de acoplamento fundamentais (eletromagnéticas, fracas e fortes) com energia, no Modelo Padrão (à esquerda) e com um novo conjunto de partículas supersimétricas (à direita) incluídas. O fato de as três linhas quase se encontrarem é uma sugestão de que elas podem se encontrar se novas partículas ou interações forem encontradas além do Modelo Padrão, mas o funcionamento dessas constantes está perfeitamente dentro das expectativas do Modelo Padrão sozinho. É importante ressaltar que as seções transversais mudam em função da energia, e o Universo primitivo era muito rico em energia de maneiras que não foram replicadas desde o quente Big Bang.

Mas este é um jogo desafiador de se jogar e é fácil entender o porquê. Quanto mais você deseja que as coisas “se unam” de alguma forma em altas energias, mais coisas novas você precisa introduzir em sua teoria. Mas quanto mais coisas novas você introduzir em sua teoria, como:

Viaje pelo Universo com o astrofísico Ethan Siegel. Os assinantes receberão a newsletter todos os sábados. Todos a bordo!

• novas partículas,
• novas forças,
• novas interações,
• ou novas dimensões,

mais e mais difícil se torna esconder os efeitos de sua presença, mesmo em nosso Universo moderno de baixa energia.

Por exemplo, se você for a favor da teoria das cordas, um “pequeno” grupo de unificação como DELE (5) ou ENTÃO (10) são lamentavelmente inadequadas. Para garantir a simetria esquerda-direita – ou seja, que as partículas, que são excitações do campo das cordas, podem se mover tanto no sentido anti-horário (esquerda) quanto no sentido horário (direita) – você precisa ter cordas bosônicas se movendo em 26 dimensões e supercordas se movendo em 10 dimensões. Para ter ambos, você precisa de um espaço matemático com um conjunto particular de propriedades que explique a incompatibilidade de 16 dimensões. Os dois únicos grupos conhecidos com as propriedades corretas são ENTÃO (32) e E ₈ ⊗ E ₈ , que requerem um número enorme de novas “adições” à teoria.

A diferença entre uma álgebra de Lie baseada no grupo E(8) (esquerda) e o Modelo Padrão (direita). A álgebra de Lie que define o Modelo Padrão é matematicamente uma entidade de 12 dimensões; o grupo E(8) é fundamentalmente uma entidade de 248 dimensões. Há muito que precisa ser feito para recuperar o Modelo Padrão das Teorias das Cordas como as conhecemos.

É verdade que a teoria das cordas oferece uma esperança para uma única teoria de tudo em um sentido: essas enormes superestruturas que as descrevem, matematicamente, de fato contêm toda a Relatividade Geral e todo o Modelo Padrão dentro delas.

Isso é bom!

Mas eles também contêm muito, muito mais do que isso. A Relatividade Geral é uma teoria tensorial da gravidade em quatro dimensões: matéria e energia deformam o tecido do espaço-tempo (com três dimensões de espaço e uma dimensão de tempo) de uma maneira muito particular e depois se movem através desse espaço-tempo distorcido. Em particular, não há componentes 'escalares' ou 'vetoriais' e, no entanto, o que está contido na teoria das cordas é uma teoria da gravidade escalar-tensor de dez dimensões. De alguma forma, seis dessas dimensões, bem como a parte “escalar” da teoria, devem desaparecer.

Além disso, a teoria das cordas também contém o Modelo Padrão com seus seis quarks e antiquarks, seis léptons e antiléptons e os bósons: glúons, bósons W e Z, o fóton e o bóson de Higgs. Mas também contém várias centenas de novas partículas: todas as quais devem estar “escondidas” em algum lugar do nosso Universo atual.

A paisagem de cordas pode ser uma ideia fascinante cheia de potencial teórico, mas não pode explicar por que o valor de um parâmetro tão bem ajustado como a constante cosmológica, a taxa de expansão inicial ou a densidade total de energia têm os valores que têm. Uma das deficiências mais importantes da correspondência AdS/CFT é que “AdS” significa espaço anti-de Sitter, que requer uma constante cosmológica negativa. No entanto, o Universo observado tem uma constante cosmológica positiva, implicando o espaço de Sitter; não há correspondência dS/CFT equivalente.

É por esta razão que procurar uma “teoria de tudo” é um jogo muito difícil de jogar: quase todas as modificações que você pode fazer em nossas teorias atuais são altamente restritas ou já descartadas pelos dados existentes. A maioria das outras alternativas são “teorias de tudo”, incluindo:

• gravidade entrópica de Erik Verlinde,
• O “novo tipo de ciência” de Stephen Wolfram
• ou Unidade Geométrica de Eric Weinstein,

todos sofrem não apenas desses problemas, eles lutam fortemente para recuperar e reproduzir o que já é conhecido e estabelecido pela ciência atual.

Tudo isso não quer dizer que a busca por uma “teoria de tudo” seja necessariamente errada ou impossível, mas que é uma tarefa incrivelmente difícil que nenhuma teoria existente atualmente cumpriu. Lembre-se, em qualquer empreendimento científico, se você quiser substituir a teoria científica atualmente predominante em qualquer domínio, você deve cumprir todas estas três etapas críticas:

1. Reproduza todos os sucessos e vitórias da teoria atual.
2. Explique certos quebra-cabeças que a teoria atual não pode explicar.
3. E fazer novas previsões que diferem da teoria atual, para que possamos sair e testar.

Até o momento, mesmo o “passo 1” só pode ser reivindicado se certos novos quebra-cabeças que surgem em supostas teorias de tudo forem varridos para debaixo do tapete, e quase todas essas teorias falham em fazer uma nova previsão ou já estão mortas. a água porque o que eles previram não deu certo. É verdade que os teóricos são livres para dedicar suas vidas a quaisquer empreendimentos que escolherem, mas se você está em busca de uma teoria de tudo, cuidado: o objetivo que você busca pode nem existir na natureza.

Compartilhar: