Rumores dizem que Albert Einstein passou suas últimas horas na Terra rabiscando algo em um pedaço de papel em uma última tentativa de formular uma teoria de tudo. Cerca de 60 anos depois, outra figura lendária da física teórica, Stephen Hawking, pode ter falecido com pensamentos semelhantes. Sabemos que Hawking pensava que algo chamado "teoria M" é nossa melhor aposta para uma teoria completa do universo. Mas o que é isso?

Desde a formulação da teoria da relatividade geral de Einstein em 1915, todo físico teórico tem sonhado em reconciliar nossa compreensão do mundo infinitamente pequeno dos átomos e partículas com a da escala infinitamente grande do cosmos. Embora o último seja efetivamente descrito pelas equações de Einstein, o primeiro é previsto com extraordinária precisão pelo chamado Modelo Padrão de interações fundamentais.

Nosso entendimento atual é que a interação entre objetos físicos é descrita por quatro forças fundamentais. Dois deles - gravidade e eletromagnetismo - são relevantes para nós em um nível macroscópico, lidamos com eles em nossa vida cotidiana. Os outros dois, apelidado de interações fortes e fracas, agem em uma escala muito pequena e se tornam relevantes apenas quando lidam com processos subatômicos.

O modelo padrão de interações fundamentais fornece uma estrutura unificada para três dessas forças, mas a gravidade não pode ser incluída de forma consistente nesta imagem. Apesar de sua descrição precisa de fenômenos de grande escala, como a órbita de um planeta ou a dinâmica da galáxia, a relatividade geral se decompõe em distâncias muito curtas. De acordo com o modelo padrão, todas as forças são mediadas por partículas específicas. Para gravidade, uma partícula chamada gráviton faz o trabalho. Mas ao tentar calcular como esses grávitons interagem, infinitos absurdos aparecem.

Uma teoria consistente da gravidade deve ser válida em qualquer escala e deve levar em consideração a natureza quântica das partículas fundamentais. Isso acomodaria a gravidade em uma estrutura unificada com as outras três interações fundamentais, fornecendo assim a célebre teoria de tudo. Claro, desde a morte de Einstein em 1955, muito progresso foi feito e hoje em dia nosso melhor candidato usa o nome de teoria-M.

Revolução das cordas

Para entender a ideia básica da teoria M, é preciso voltar à década de 1970, quando os cientistas perceberam que, em vez de descrever o universo com base em partículas semelhantes a pontos, você poderia descrevê-lo em termos de minúsculas cordas oscilantes (tubos de energia). Essa nova maneira de pensar sobre os constituintes fundamentais da natureza acabou por resolver muitos problemas teóricos. Sobre tudo, uma oscilação particular da corda pode ser interpretada como um gráviton. E ao contrário da teoria da gravidade padrão, a teoria das cordas pode descrever suas interações matematicamente sem obter infinitos estranhos. Assim, a gravidade foi finalmente incluída em uma estrutura unificada.

Após esta descoberta emocionante, físicos teóricos dedicaram muito esforço para compreender as consequências dessa ideia seminal. Contudo, como costuma acontecer com a pesquisa científica, a história da teoria das cordas é caracterizada por altos e baixos. Inicialmente, as pessoas ficaram intrigadas porque previu a existência de uma partícula que viaja mais rápido do que a velocidade da luz, apelidado de "tachyon". Essa previsão contrastava com todas as observações experimentais e lançava sérias dúvidas sobre a teoria das cordas.

No entanto, esse problema foi resolvido no início dos anos 1980 com a introdução de algo chamado "supersimetria" na teoria das cordas. Isso prevê que cada partícula tem um superparceiro e, por uma coincidência extraordinária, a mesma condição elimina o tachyon. Esse primeiro sucesso é comumente conhecido como "a primeira revolução das cordas".

Outra característica marcante é que a teoria das cordas requer a existência de dez dimensões do espaço-tempo. Atualmente, só conhecemos quatro:profundidade, altura, largura e tempo. Embora isso possa parecer um grande obstáculo, várias soluções têm sido propostas e hoje em dia é considerada uma característica notável, ao invés de um problema.

Por exemplo, poderíamos de alguma forma ser forçados a viver em um mundo quadridimensional sem qualquer acesso às dimensões extras. Ou as dimensões extras poderiam ser "compactadas" em uma escala tão pequena que não notaríamos. Contudo, diferentes compactações levariam a diferentes valores das constantes físicas e, Portanto, diferentes leis da física. Uma possível solução é que nosso universo é apenas um de muitos em um "multiverso" infinito, regido por diferentes leis da física.

Isso pode parecer estranho, mas muitos físicos teóricos estão aceitando essa ideia. Se você não está convencido, pode tentar ler o romance Flatland:um romance de muitas dimensões, de Edwin Abbott, em que os personagens são forçados a viver em duas dimensões espaciais e não conseguem perceber que existe uma terceira.

Teoria M

Mas havia uma questão urgente remanescente que incomodava os teóricos das cordas na época. Uma classificação completa mostrou a existência de cinco diferentes teorias de cordas consistentes, e não estava claro por que a natureza escolheria um entre cinco.

Foi então que a teoria M entrou em jogo. Durante a segunda revolução das cordas, em 1995, os físicos propuseram que as cinco teorias consistentes das cordas são, na verdade, apenas faces diferentes de uma teoria única que vive em onze dimensões do espaço-tempo e é conhecida como teoria-M. Inclui cada uma das teorias das cordas em diferentes contextos físicos, mas ainda é válido para todos eles. Este quadro extremamente fascinante levou a maioria dos físicos teóricos a acreditar na teoria M como a teoria de tudo - ela também é mais matematicamente consistente do que outras teorias candidatas.

No entanto, até agora, a teoria M tem se esforçado para produzir previsões que podem ser testadas por experimentos. A supersimetria está sendo testada no Large Hadron Collider. Se os cientistas encontrarem evidências de superparceiros, isso acabaria por fortalecer a teoria-M. Mas ainda permanece um desafio para os físicos teóricos atuais produzir previsões testáveis ​​e para os físicos experimentais estabelecer experimentos para testá-las.

A maioria dos grandes físicos e cosmologistas são movidos pela paixão de encontrar aquela beleza, descrição simples do mundo que pode explicar tudo. E embora ainda não estejamos lá, não teríamos chance sem o afiado, mentes criativas de pessoas como Hawking.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.