O documento discute teorias para unificar a gravitação e a física quântica, como a teoria das supercordas e a teoria M. A teoria das supercordas propõe que partículas elementares são vibrações em cordas microscópicas existindo em 11 dimensões. A teoria M tenta unir diferentes teorias de supercordas em uma única teoria fundamental.
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Filosofia da Física Quântica 9 gravitação quântica
3. Modelo padrão
O modelo padrão da física de partículas
é uma teoria que descreve as forças
fundamentais
fortes, fracas, e eletromagnéticas,
e as partículas fundamentais
que constituem toda a matéria.
Ela se baseia na idéia de que toda matéria
é composta de partículas fundamentais.
6. Gravidade
A gravidade é a força de atração mútua que os corpos
com massa exercem uns sobre os outros.
É descrita pela lei de Newton da gravitação universal.
onde:
Fg = força gravitacional entre dois objetos
m1 = massa do primeiro objeto
m2 = massa do segundo objeto
r = distância entre os centros de massa dos
objetos
G = constante universal da gravitação
Albert Einstein descreveu-a como conseqüência
da estrutura geométrica do espaço-tempo.
2
12
21
r
mm
GFg =
7. A Gravidade é tida como a mais fraca das interações,
mas esta é a interação que tem o mais longo alcance.
O termo longo alcance refere-se tecnicamente ao
decaimento da interação com a distância “r” a uma
razão igual a 1/r2
.
Diferente de outras interações, a gravidade atua
universalmente na matéria e na energia.
Devido ao seu longo alcance, a maioria das interações
entre objetos separados por distâncias maiores
que a de um planeta, por ex., são predominantemente
devidas à gravidade.
Devido ao seu longo alcance, a gravidade é responsável
por fenômenos de grande-escala.
12. Eletromagnética
O eletromagnetismo é a força que atua entre
partículas carregadas.
Estas incluem a força eletrostática, que atua entre
cargas em repouso,
e a força magnética que atua entre cargas em
movimento.
É uma força de longo
alcance
relativamente forte,
presente na maioria
de nossos fenômenos
diários — que incluem o
atrito,
a raidodifusão, a estrutura
dos átomos, os metais,
entre outros.
13. Eletromagnetismo é o nome da teoria unificada
desenvolvida por James Maxwell para explicar
a relação entre a eletricidade e o magnetismo,
que se traduz matematicamente em 4 equações,
conhecidas como equações de Maxwell.
Nome Forma Diferencial
Lei de Gauss ∇⋅D = ρ
Lei de Gauss para o magnetismo
(ausência de monopolos
magnéticos)
∇⋅B = 0
Lei da indução de Faraday
Lei de Ampère + extensão de
Maxwell
15. Fraca
A força nuclear fraca é responsável por alguns
fenômenos na escala do núcleo atômico, tais como o
decaimento beta da radioatividade.
O eletromagnetismo e a força nuclear fraca
são teoricamente entendidos como dois aspectos
da força eletrofraca unificada – este foi o primeiro
passo
na formulação teórica de um modelo conhecido como
modelo padrão.
Na teoria eletrofraca, os condutores da força fraca são
os bósons massivos chamados de bósons W e Z.
16. Forte
É a força nuclear forte que mantém os núcleons
juntos no núcleo atômico.
Esta força não é relacionada à carga elétrica.
Um dos principais efeitos desta força
é a forte união dos dois prótons,
a despeito da sua tremenda repulsão eletromagnética.
A teoria quântica da força forte é conhecida como
cromodinâmica quântica ou QCD.
Em QCD, a força forte é mediada por partículas
chamadas glúons e atua entre as partículas.
17. Modelo padrão
Desenvolvida entre 1970 e 1973,
é uma teoria quântica de campos,
consistente com a mecânica quântica
e a relatividade especial.
Para demonstrar sua importância,
quase todos os testes experimentais
das três forças descritas pelo modelo
padrão concordaram com as suas
predições.
Entretanto, o modelo padrão não é
uma teoria completa das interações
fundamentais,
porque não descreve a gravidade.
18. Ela descreve dois tipos de partículas fundamentais:
férmions e bósons.
• Os férmions são as partículas que possuem o spin
semi-inteiro e obedecem o princípio de exclusão de
Pauli, que diz que férmions idênticos,
não podem compartilhar do mesmo estado quântico.
• Os bósons possuem o spin inteiro e
não obedecem o princípio de exclusão de Pauli.
Informalmente falando,
os férmions são as partículas que constituem a
matéria e os bósons são as partículas que transmitem
as forças.
19. Os bósons são:
• Fótons, que mediam a interação eletromagnética.
• Bósons W e Z, que mediam a interação fraca.
• Oito espécies dos glúons, que mediam a interação
forte.
• Os bósons de Higgs, que são responsáveis pela
existência da massa.
20. Os férmions são:
• Quarks, constituintes básicos dos prótons e nêutrons.
• Elétrons, constituem juntos com prótons e nêutrons
a matéria.
• Neutrinos, não compõe a matéria.
(Na Terra chegam ±40 a 60⋅109
neutrinos/cm2
– possuem informações sobre o universo com 0,1s)
• Híperons, píons, kaons, etc.
25. A base do MP são as partículas fundamentais
(elétrons, fótons, quarks)
Que são considerados, pontos num espaço-
tempo.
26. Existem muitas classificações para as partículas
Entre elas estão:
As partículas pesadas → os bárions
(prótons e nêutrons, “sentem” a força forte)
As partículas intermediárias → os mésons
(méson π, sentem a força forte)
As partículas leves → os léptons
(elétrons, múons, taus, e seus neutrinos,
não “sentem” a força forte)
Nós somos feitos com bárions e léptons
28. A assimetria entre a matéria e antimatéria
é um das questões mais intrigantes do nosso
Universo.
Grande parte da matéria conhecida
no Universo é constituída de bárions,
não havendo praticamente nenhum
antibárion.
É intrigante, pois todos os processos
observados experimentalmente até hoje,
produzem bárions e antibárions
em quantidades iguais.
29. Enquanto essa assimetria não é prevista pelo
MP,
alguns efeitos perturbativos podem ser
verificados em altas temperaturas.
Deste modo o MP pode explicar a assimetria
bariônica
apenas se alguma parte da teoria
for modificada
dando uma clara indicação
de que uma nova física está para surgir
próxima e acima da escala da força
eletrofraca.
30. Mas como sabemos que o universo não é
simétrico com relação à matéria e
antimatéria?
Isto pode ser respondido do seguinte modo:
Tudo que conhecemos é constituído de
bárions, pois caso não fosse teríamos
condições de saber.
A Lua, o vento solar, os raios cósmicos,
trazem material de várias partes da Via-
Láctea e fora dela, contudo foi observado que
a relação de bárions e antibárions
é da ordem de 104
para 1;
31. Se houvessem Galáxias de antimatéria,
então seria possível observar emissões gama
advindas de aniquilações.
A sua ausência é uma forte evidência de que,
o universo é constituído de matéria.
Entretanto existe um problema chamado
“catástrofe de aniquilação”
que provavelmente elimina a possibilidade
de existir uma simetria
entre matéria e antimatéria.
32. A causalidade proíbe a separação de grandes
quantidades de matéria e antimatéria,
com uma velocidade, tal que,
coexistam sem que se aniquilem entre si.
Assim, é provável que a natureza tenha,
de algum modo, favorecido a criação de matéria
em detrimento da antimatéria no Big Bang
indicando que matéria e antimatéria
são tratadas diferentemente.
33. Com isto, seria possível que uma pequena
fração de matéria criada inicialmente tenha
sobrevivido
e formado o Universo que conhecemos,
o restante da matéira e antimatéria,
teria se aniquilado
e formado toda a radiação existente.
34. Problemas com o modelo padrão:
É prevista uma massa para os neutrinos,
mas ainda não se conseguiu medí-las.
O Bóson de Higgs, ainda não foi encontradas.
O modelo contém 19 parâmetros livres,
que devem ser determinadas
experimentalmente
(mais uns outros 10 para massas do neutrino).
Estes parâmetros não podem ser calculados
independentemente.
35. Problemas com o modelo padrão:
Não prevê corretamente a existência da
assimetria entre matéria e antimatéria.
Ela não engloba a gravitação.
Isso faz com que surgam teorias alternativas…
37. No eletromagnetismo
Se r12 → 0 Fe → ∞
Quando aplicamos essa lei às partículas,
o problema do infinito é contornado
pelos efeitos quânticos.
2
12
21
04
1
r
qq
Fe
πε
=
38. Na gravitação
Se r12 → 0 Fg → ∞
Na gravitação, quando aplicamos essa lei,
o infinito não é eliminado pelos efeitos quânticos,
isto implica que a gravitação,
não pode ser quantizada.
2
12
21
r
mm
GFg =
39. Cordas de um violão
Vários modos de
vibração
Várias freqüências
diferentes
44. Para descrever as partículas
elementares, são necessárias 11
dimensões espaciais.
Essas dimensões espaciais extras,
não seriam visíveis,por serem muito
pequenas,
estariam compactadas
em formas geométricas,
chamadas:
Superfície de Calibi-
Yau
45. Para que essa teoria possa
incluir a gravitação,
é necessário
uma simetria especial
chamada,
supersimetria,
e daí vem o nome de
supercordas.
46. Essa teoria prevê várias partículas chamadas
exóticas, e para descobrí-las,
é que se constroem
os grandes aceleradores de partículas.
47. Tipos de teorias de supercordas:
Teoria Tipo I
Teoria Tipo IIA
Teoria Tipo IIB
Teoria Heterótica tipo O
Teoria Heterótica tipo E
Supergravidade a 11D
49. Teoria M
É a teoria que tenta unir todas essas,
em uma única teoria.
50. Teoria M
Esse nome tem uma origem não muito
esclarecida, pode significar:
Mãe
Matriz
Membrana
Mistério
Mágica
M M M M M M M M M M
m MM M M M M M Mµ m m
52. Nosso espaço-tempo seria uma membrana (brana)
de um espaço-tempo maior.
Entre as diversas branas a única força (energia)
transmitida seria a gravitacional.
57. Gravidade Quântica
É o campo da física teórica
que busca unificar a teoria da física quântica,
(que descreve três das forças fundamentais,
com a relatividade geral),
e a teoria da quarta força fundamental,
a gravidade.
O desafio final de alguns é um arcabouço
unificado de todas as forças fundamentais
uma teoria do tudo.
58. Muito da dificuldade em se fundir estas
teorias origina-se das hipóteses radicalmente
diferentes que elas utilizam para explicar
como nosso universo funciona.
Enquanto a teoria de campo quântico baseia-
se em campo de partículas embutidas no
espaço-tempo da relatividade restrita.
59. A relatividade geral prevê a gravidade como
uma curvatura no espaço-tempo
que afeta o movimento das massas,
isto é,
a relatividade não fornece uma base espaço-
temporal fixa para as partículas
da FQ.
O caminho mais óbvio para combinar
estas duas teorias,
é tratar a gravidade como outro campo de
partícula,
mas isto conduz à problemas.
60. A incompatibilidade entre mecânica
quântica e relatividade geral
Harmonizar a teoria da relatividade geral,
que descreve a gravitação e suas aplicações
em estruturas de grande-escala
(estrelas, planetas e galáxias)
com a mecânica quântica,
que descreve as outras três forças
fundamentais atuando em escala microscópica
é, atualmente, um dos maiores problemas da
física teórica.
61. Uma lição fundamental da relatividade geral é
que não existe um referencial
preferencial
para o espaço-tempo,
como na mecânica Newtoniana
e na relatividade restrita,
ou seja,
a geometria do espaço-tempo é dinâmica.
62. Apesar da fácil aceitação em princípio,
esta idéia é de difícil compreensão
no que tange à relatividade geral,
e suas conseqüências são profundas,
mas não totalmente exploradas,
mesmo ao nível clássico.
Em um certo sentido, a relatividade geral pode
ser vista como uma teoria relacional,
na qual a única informação física relevante
é a relação entre diferentes eventos no
espaço-tempo.
63. Por outro lado, a mecânica quântica
possui uma dependência,
desde sua concepção,
com uma estrutura (não-dinâmica) de fundo.
No caso da mecânica quântica,
o tempo é dinâmico e não determinado, como
na mecânica clássica newtoniana.
64. Há três outros pontos de tensão entre
a mecânica quântica e a relatividade geral.
Primeiro:
A RG prediz densidades infinitas nas
singularidades,
e a FQ se tornaria inconsistente
nas vizinhanças dessas singularidades.
65. Segundo:
Não está claro como determinar
o campo gravitacional de uma partícula se,
devido ao princípio da incerteza de
Heisenberg, a localização e velocidade
não podem ser conhecidas com precisão
absoluta.
66. Terceiro:
Há uma contradição lógica,
entre a violação
da desigualdade de Bell na FQ,
a qual indica uma influência superluminal,
e a velocidade da luz
como uma velocidade limite na relatividade.
Tudo isso faz surgirem teorias alternativas...
68. Esta teoria é uma teoria
quântica do
espaço-tempo.
Aqui o espaço e o tempo
são quantizados.
(“cenon” e “cronon”)
A geometria do
espaço-tempo
não seria fixa.
69. O quantum de espaço está atrelado
ao comprimento de Planck.
l = 10−33
cm
A = 10−66
cm2
V = 10−99
cm3
Em 1 cm3
existem 1099
“cenons”.
Existem mais “cenons” em 1 cm3
, que
cm3
no universo visível (1085
cm3
).
Redes de spin relacionam os quanta de espaço-
tempo, que descrevem uma partícula
ou todo o universo.
71. Uma teoria desenvolvida por:
Michael Green, John Schwarz e Abdus Salam,
a partir da teoria dos grupos,
usando a combinação de duas simetrias,
esta teoria gera dois mundos,
o original e sua sombra.
72. Não é possível observar o conteúdo do universo
sombra.
A interação entre eles seria apenas gravitacional,
porque é a matéria,
que gera a geometria do espaço-tempo
de ambos universos.
Matematicamente o universo sombra determinaria,
como as partículas elementares iriam adquirir
massa.
73. No universo sombra haveriam
partículas, fótons forças e leis,
mas,
isso tudo seria invisível ao
universo original.
O universo sombra não
transmite nem recebe ondas
eletromagnéticas,
para ou do universo original,
nem as partículas podem colidir
com as partículas deste.
74. A matéria sombra poderia apenas:
ou atrair ou repelir
a matéria do universo original.
Se atraísse agiria como matéria escura.
Se repelisse agiria como energia escura.
75. Cada ponto do universo original possuiria um
homólogo no universo sombra.
As leis de ambos universos são inversas,
se a lei de Newton em um universo é atrativa
no outro é repulsiva,
se um universo acelera o outro desacelera,
e as flechas do tempo também são inversas.
O universo sombra seria negentrópico.
80. Uma teoria daUma teoria da
evoluçãoevolução
(tipo Darwiniana)(tipo Darwiniana)
para o universopara o universo
81. Teoria desenvolvida no livro
A vida do Cosmo de Lee Smolim,
contudo não é dele a idéia original.
A teoria diz que existe uma seleção
cosmológica natural.
Universos privilegiados seriam aqueles que
produziriam mais BNs,
porque estes seriam o final das estrelas,
que produzem os elementos químicos e
conseqüentemente, vida.
82. Quando a matéria atingisse a densidade de
aproximadamente, 1097
kg/m3
,
o universo “explodiria” em outra dimensão.
Haveriam tantos universos “filhos”,
quantos BNs no nosso universo.
83. Esses universos seriam
gerados,
porque o tempo
não para
na singularidade,
este continuaria
além dela
e se ramificaria
como árvore,
e cada BN
seria um broto,
que conduz
a um novo universo.
84. Quando um BN se forma,
torna-se a semente para um outro universo,
mas as leis físicas mudam um pouco,
este novo universo só se reproduzirá,
se as leis forem, tais que,
possam gerar mais BNs.
Caso contrário eles não gerará “filhos”.
85. As explosões das supernovas,
que consequentemente vão gerar BNs,
estão ligadas às constantes fundamentais,
e portanto,
o sistema funcionaria
como uma
teoria Darwiniana do cosmo.