A mesa de Albert Einstein ainda pode ser encontrada no segundo andar do departamento de física de Princeton. Posicionado na frente de um quadro negro do chão ao teto coberto com equações, a mesa parece incorporar o espírito do gênio de cabelos crespos quando ele pergunta aos atuais ocupantes do departamento, "Então, você já resolveu? "

Einstein nunca alcançou seu objetivo de uma teoria unificada para explicar o mundo natural em um único, quadro coerente. Ao longo do último século, pesquisadores reuniram ligações entre três das quatro forças físicas conhecidas em um "modelo padrão, "mas a quarta força, gravidade, sempre esteve sozinho.

Já não. Graças aos insights feitos por membros do corpo docente de Princeton e outros que treinaram aqui, a gravidade está sendo trazida do frio - embora de uma maneira nem remotamente parecida com a que Einstein a imaginou.

Embora ainda não seja uma "teoria de tudo, "esta estrutura, estabelecido há mais de 20 anos e ainda está sendo preenchido, revela maneiras surpreendentes em que a teoria da gravidade de Einstein se relaciona com outras áreas da física, dando aos pesquisadores novas ferramentas para lidar com questões elusivas.

O principal insight é que a gravidade, a força que traz as bolas de beisebol de volta à Terra e governa o crescimento dos buracos negros, é matematicamente relacionável às palhaçadas peculiares das partículas subatômicas que constituem toda a matéria ao nosso redor.

Esta revelação permite que os cientistas usem um ramo da física para entender outras áreas aparentemente não relacionadas da física. Até aqui, esse conceito foi aplicado a tópicos que vão desde por que buracos negros atingem uma temperatura até como o bater das asas de uma borboleta pode causar uma tempestade no outro lado do mundo.

Essa relação entre gravidade e partículas subatômicas fornece uma espécie de pedra de Roseta para a física. Faça uma pergunta sobre a gravidade, e você obterá uma explicação expressa em termos de partículas subatômicas. E vice versa.

"Esta é uma área incrivelmente rica, "disse Igor Klebanov, Eugene Higgins, Professor de Física de Princeton, que gerou alguns dos primeiros pressentimentos neste campo na década de 1990. "Encontra-se na interseção de muitos campos da física."

De pequenos pedaços de barbante

As sementes desta correspondência foram espalhadas na década de 1970, quando os pesquisadores exploravam minúsculas partículas subatômicas chamadas quarks. Essas entidades se aninham como bonecas russas dentro de prótons, que por sua vez ocupam os átomos que constituem toda a matéria. No momento, os físicos acharam estranho que não importa o quão forte você esmague dois prótons, você não pode liberar os quarks - eles ficam confinados dentro dos prótons.

Uma pessoa que trabalhava no confinamento de quark foi Alexander Polyakov, Joseph Henry, Professor de Física de Princeton. Acontece que os quarks são "colados" por outras partículas, chamados glúons. Por um tempo, os pesquisadores pensaram que os glúons poderiam se reunir em cordas que ligam os quarks uns aos outros. Polyakov vislumbrou uma ligação entre a teoria das partículas e a teoria das cordas, mas o trabalho foi, nas palavras de Polyakov, "ondulado à mão" e ele não tinha exemplos precisos.

Enquanto isso, a ideia de que as partículas fundamentais são, na verdade, pequenos pedaços de cordas vibrantes estava decolando, e em meados da década de 1980, a "teoria das cordas" havia laçado a imaginação de muitos físicos importantes. A ideia é simples:assim como uma corda de violino vibrante dá origem a notas diferentes, a vibração de cada corda prediz a massa e o comportamento de uma partícula. A beleza matemática era irresistível e levou a uma onda de entusiasmo pela teoria das cordas como uma forma de explicar não apenas as partículas, mas o próprio universo.

Um dos colegas de Polyakov foi Klebanov, que em 1996 era professor associado em Princeton, tendo obtido seu Ph.D. em Princeton, uma década antes. Aquele ano, Klebanov, com o estudante de graduação Steven Gubser e a associada de pesquisa de pós-doutorado Amanda Peet, usou a teoria das cordas para fazer cálculos sobre glúons, e então comparou suas descobertas com uma abordagem da teoria das cordas para entender um buraco negro. Eles ficaram surpresos ao descobrir que ambas as abordagens geraram uma resposta muito semelhante. Um ano depois, Klebanov estudou as taxas de absorção por buracos negros e descobriu que, desta vez, eles concordavam exatamente.

Esse trabalho se limitou ao exemplo de glúons e buracos negros. Foi necessário um insight de Juan Maldacena em 1997 para colocar as peças em um relacionamento mais geral. Naquela hora, Maldacena, que obteve seu Ph.D. em Princeton um ano antes, foi professor assistente em Harvard. Ele detectou uma correspondência entre uma forma especial de gravidade e a teoria que descreve as partículas. Vendo a importância da conjectura de Maldacena, uma equipe de Princeton composta por Gubser, Klebanov e Polyakov seguiram com um artigo relacionado, formulando a ideia em termos mais precisos.

Outro físico que ficou imediatamente impressionado com a ideia foi Edward Witten, do Institute for Advanced Study (IAS), um centro de pesquisa independente localizado a cerca de 1,6 km do campus da Universidade. Ele escreveu um artigo que formulou ainda mais a ideia, e a combinação dos três jornais no final de 1997 e início de 1998 abriu as comportas.

"Era um tipo de conexão fundamentalmente novo, "disse Witten, um líder no campo da teoria das cordas que obteve seu doutorado. em Princeton em 1976 e é conferencista visitante com o grau de professor de física em Princeton. "Vinte anos depois, ainda não o enfrentamos totalmente. "

Dois lados da mesma moeda

Essa relação significa que a gravidade e as interações das partículas subatômicas são como os dois lados da mesma moeda. De um lado, está uma versão estendida da gravidade derivada da teoria da relatividade geral de Einstein de 1915. Por outro lado, está a teoria que descreve aproximadamente o comportamento das partículas subatômicas e suas interações.

A última teoria inclui o catálogo de partículas e forças no "modelo padrão" (ver barra lateral), uma estrutura para explicar a matéria e suas interações que sobreviveu a testes rigorosos em vários experimentos, inclusive no Grande Colisor de Hádrons.

No modelo padrão, comportamentos quânticos estão embutidos. Nosso mundo, quando descemos ao nível das partículas, é um mundo quântico.

Notavelmente ausente do modelo padrão está a gravidade. No entanto, o comportamento quântico está na base das outras três forças, então, por que a gravidade deveria ser imune?

A nova estrutura traz gravidade para a discussão. Não é exatamente a gravidade que conhecemos, mas uma versão ligeiramente distorcida que inclui uma dimensão extra. O universo que conhecemos tem quatro dimensões, os três que localizam um objeto no espaço - a altura, largura e profundidade da mesa de Einstein, por exemplo - mais a quarta dimensão do tempo. A descrição gravitacional adiciona uma quinta dimensão que faz com que o espaço-tempo se curve em um universo que inclui cópias do familiar espaço plano quadridimensional redimensionado de acordo com onde são encontrados na quinta dimensão. Tão estranho, espaço-tempo curvo é chamado de espaço anti-de Sitter (AdS) em homenagem ao colaborador de Einstein, holandês
astrônomo Willem de Sitter.

A descoberta no final da década de 1990 foi que os cálculos matemáticos da borda, ou limite, desse espaço anti-de Sitter pode ser aplicado a problemas envolvendo comportamentos quânticos de partículas subatômicas descritos por uma relação matemática chamada teoria de campo conformada (CFT). Esse relacionamento fornece o link, que Polyakov tinha visto antes, entre a teoria das partículas em quatro dimensões espaço-temporais e a teoria das cordas em cinco dimensões. A relação agora tem vários nomes que relacionam a gravidade às partículas, mas a maioria dos pesquisadores chama isso de correspondência AdS / CFT (pronuncia-se A-D-S-C-F-T).

Enfrentando as grandes questões

Esta correspondência, acontece que, tem muitos usos práticos. Veja os buracos negros, por exemplo. O falecido físico Stephen Hawking surpreendeu a comunidade da física ao descobrir que os buracos negros têm uma temperatura que aumenta porque cada partícula que cai em um buraco negro tem uma partícula emaranhada que pode escapar como calor.

Usando AdS / CFT, Tadashi Takayanagi e Shinsei Ryu, em seguida, na Universidade da Califórnia-Santa Bárbara, descobriu uma nova maneira de estudar

enredamento em termos de geometria, estendendo as percepções de Hawking de uma forma que os especialistas consideram bastante notável.

Em outro exemplo, pesquisadores estão usando AdS / CFT para definir a teoria do caos, que diz que um evento aleatório e insignificante, como o bater das asas de uma borboleta, pode resultar em mudanças massivas em um sistema de grande escala, como um furacão distante. É difícil calcular o caos, mas os buracos negros - que são alguns dos sistemas quânticos mais caóticos possíveis - poderiam ajudar. Trabalho de Stephen Shenker e Douglas Stanford na Stanford University, junto com Maldacena, demonstra como, por meio de AdS / CFT, buracos negros podem modelar o caos quântico.

Uma questão em aberto que Maldacena espera que a correspondência AdS / CFT responda é a questão de como é dentro de um buraco negro, onde reside uma região infinitamente densa chamada singularidade. Até aqui, a relação nos dá uma imagem do buraco negro visto de fora, disse Maldacena, que agora é o professor Carl P. Feinberg do IAS.

“Esperamos entender a singularidade dentro do buraco negro, "Disse Maldacena." Compreender isso provavelmente levaria a lições interessantes para o Big Bang. "

A relação entre gravidade e cordas também lançou uma nova luz sobre o confinamento de quark, inicialmente por meio do trabalho de Polyakov e Witten, e mais tarde por Klebanov e Matt Strassler, que estava então no IAS.

Esses são apenas alguns exemplos de como o relacionamento pode ser usado. "É uma ideia tremendamente bem-sucedida, "disse Gubser, que hoje é professor de física em Princeton. "Isso atrai a atenção de uma pessoa. Isso te prende, ele ataca em outros campos, e dá a você um ponto de vista sobre a física teórica que é muito atraente. "

A relação pode até revelar a natureza quântica da gravidade. "É uma das nossas melhores pistas para entender a gravidade de uma perspectiva quântica, "disse Witten." Como não sabemos o que ainda está faltando, Eu não posso dizer o quão grande será um pedaço da imagem no final das contas. "

Ainda, a correspondência AdS / CFT, embora poderoso, depende de uma versão simplificada do espaço-tempo que não é exatamente como o universo real. Os pesquisadores estão trabalhando para encontrar maneiras de tornar a teoria mais amplamente aplicável ao mundo cotidiano, incluindo a pesquisa de Gubser sobre a modelagem de colisões de íons pesados, bem como supercondutores de alta temperatura.

Também na lista de tarefas está o desenvolvimento de uma prova dessa correspondência baseada em princípios físicos subjacentes. É improvável que Einstein ficasse satisfeito sem uma prova, disse Herman Verlinde, Professor de Física da classe de Princeton de 1909, presidente do Departamento de Física e especialista em teoria das cordas, que divide o espaço do escritório com a mesa de Einstein.

"Às vezes eu imagino que ele ainda está sentado lá, "Verlinde disse, "e eu me pergunto o que ele pensaria do nosso progresso."