Pesquisadores do Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo (WPI) e da Universidade Tohoku, no Japão, identificaram recentemente uma anomalia na dualidade eletromagnética da Teoria de Maxwell. Esta anomalia, descrito em um artigo publicado em Cartas de revisão física , poderia desempenhar um papel importante na consistência da teoria das cordas.

O estudo recente é uma colaboração entre Yuji Tachikawa e Kazuya Yonekura, dois teóricos das cordas, e Chang-Tse Hsieh, um teórico da matéria condensada. Embora o estudo tenha começado como uma investigação da teoria das cordas, também tem implicações para outras áreas da física.

Na teoria da física atual, eletromagnetismo clássico é descrito pelas equações de Maxwell, que foram introduzidos pela primeira vez pelo físico James Clerk Maxwell por volta de 1865. Objetos governados por essas equações incluem campos elétricos e magnéticos, partículas eletricamente carregadas (por exemplo, elétrons e prótons), e monopólos magnéticos (ou seja, partículas hipotéticas carregando pólos magnéticos únicos).

Até aqui, pesquisadores não foram capazes de observar monopólos magnéticos, ainda assim, as previsões teóricas apontaram para sua existência por várias décadas. Uma implicação chave da existência de monopólos magnéticos é a quantização de todas as cargas elétricas no universo, originalmente introduzido por Paul Dirac em 1931.

“Em quatro dimensões do espaço-tempo, cargas elétricas são sempre múltiplos inteiros de algum número mínimo, se existe um monopolo magnético, "Hsieh, Tachikawa e Yonekura disseram ao Phys.org por e-mail. "Isso é chamado de quantização de cargas de Dirac."

Supondo a presença de cargas elétricas e magnéticas, as equações de Maxwell respeitam uma certa simetria, que é conhecido como dualidade eletromagnética. Essa simetria é alcançada pela troca da carga elétrica e do monopolo magnético.

O que acontece com essa dualidade eletromagnética quando o sistema é quantizado? Embora possa parecer uma pergunta natural, muito poucos estudos tentaram respondê-la, particularmente em situações em que percorrer um determinado caminho no espaço-tempo resulta em ações de dualidade não triviais.

"Agora, vamos voltar ao lado da teoria das cordas de nosso estudo, "disseram os pesquisadores." A teoria das cordas tem dez dimensões do espaço-tempo, e há um análogo de dimensão superior de quantização de Dirac. Contudo, também se sabe que alguns objetos da teoria das cordas, chamados orientifolds, violar a quantização de Dirac. "

Geralmente, quando há uma aparente inconsistência na teoria das cordas, uma inspeção mais detalhada tende a explicá-lo e fornecer evidências que confirmam a validade da teoria. Enquanto alguns pesquisadores foram capazes de explicar parcialmente a violação da quantização de Dirac observada em orientifolds considerando anomalias de férmions, em um estudo anterior, Tachikawa e Yonekura sugeriram a necessidade de um efeito mais sutil que envolva propriedades quânticas de dualidade eletromagnética.

"Descobrimos que esta simetria de dualidade é levemente violada mecanicamente quântica, "explicaram os pesquisadores." Essa é a anomalia estudada no artigo. Além disso, a violação é precisamente cancelada contra a violação da quantização de Dirac na teoria das cordas. Nossas observações poderiam, portanto, ajudar a salvar a teoria das cordas dessa inconsistência. "

Em seu estudo, Hsieh, Tachikawa e Yonekura analisaram a anomalia que identificaram na dualidade eletromagnética da teoria de Maxwell usando dois métodos inter-relacionados. Primeiro, eles o consideravam como vivendo no limite de uma fase topológica da matéria protegida por simetria.

"Este é um ponto de vista desenvolvido nos últimos anos por teóricos da matéria condensada, e um exemplo famoso é que férmions vazios aparecem na superfície de isoladores topológicos, "Hsieh, Tachikawa e Yonekura explicaram. "No nosso caso, consideramos a teoria de Maxwell 3 + 1-dimensional como vivendo no limite de uma fase topológica 4 + 1-dimensional da matéria. "

A configuração usada pelos pesquisadores é um pouco diferente das estudadas pelos físicos da matéria condensada, que normalmente se concentram em teorias de até três dimensões espaciais e uma dimensão de tempo. As técnicas geralmente empregadas por físicos da matéria condensada, Contudo, também poderia ser aplicada a esta anomalia.

"Hsieh trabalhou na anomalia de férmions 3 + 1 dimensionais deste ponto de vista em seu trabalho anterior, então decidimos combinar forças para estudar a anomalia da teoria de Maxwell desta maneira, "os pesquisadores explicaram." No final, descobrimos que a anomalia da teoria de Maxwell que determinamos neste trabalho era a mesma que a anomalia de 56 férmions previamente determinada por Hsieh em seu artigo. "

A segunda maneira pela qual os pesquisadores analisaram a anomalia na dualidade eletromagnética da teoria de Maxwell envolve a teoria das cordas. Mais precisamente, eles consideraram isso dentro do contexto da teoria M, que se acredita ser a unificação de todas as teorias das cordas.

Embora a dualidade eletromagnética seja um tanto misteriosa em quatro dimensões do espaço-tempo, torna-se manifesto se considerado da perspectiva da teoria-M. Além disso, A teoria M fornece uma maneira de analisar como a dualidade eletromagnética é ligeiramente violada pelo que é conhecido como anomalia gravitacional. Os pesquisadores também foram capazes de usar essa teoria para explicar por que a teoria de Maxwell tem a mesma anomalia que 56 férmions.

"Há uma grande quantidade de evidências de que a teoria das cordas é uma teoria consistente da gravidade quântica, independentemente de descrever o nosso mundo ou não, "Hsieh, Tachikawa e Yonekura disseram. "Nosso trabalho adiciona uma pequena, mas nova, evidência de que a teoria das cordas é realmente consistente de uma forma sutil e surpreendente."

As análises realizadas por Hsieh, Tachikawa e Yonekura confirmam a consistência da teoria das cordas, explicando as inconsistências que eles identificaram em seus estudos anteriores. Além disso, seu trabalho fornece uma visão interessante sobre a teoria de Maxwell, que é uma das construções físicas mais estudadas.

"Mesmo 150 anos depois que Maxwell introduziu suas equações, ainda há muito a ser descoberto, "disseram os pesquisadores." Mais concretamente, muitas vezes é útil 'medir' uma simetria, o que significa essencialmente torná-lo local e dinâmico. O eletromagnetismo e a gravitação surgem da medição da simetria de rotação de fase de funções de onda de partículas carregadas, e medir a transformação geral das coordenadas do espaço-tempo, respectivamente. Nossos resultados implicam que não é possível medir a simetria da dualidade eletromagnética, devido à sua anomalia. "

Embora o estudo recente realizado por esta equipe de pesquisadores tenha levado a algumas descobertas interessantes, não pinta um quadro completo da quantização de Dirac na teoria das cordas. Em seu trabalho futuro, os pesquisadores pretendem, portanto, investigar mais este tópico, na esperança de fazer novas descobertas fascinantes.

"Gostaríamos também de compreender mais profundamente a relação entre a anomalia de um sistema d-dimensional e as fases topológicas protegidas por simetria nas dimensões (d + 1), "disseram os pesquisadores." Muitos artigos foram escritos sobre este assunto, tanto por teóricos da matéria condensada quanto por teóricos das cordas, mas parece haver muito mais a ser compreendido. "

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