Vou escrever nesse Blog sobre a teoria de cordas e começar respondendo à pergunta:
Henrique Boschi
IF-UFRJ
Grupo de Física Teórica
O que é a Teoria de Cordas?
A teoria de cordas (ou supercordas) é uma teoria que pressupõe que todas as partículas
subatômicas que observamos direta ou indiretamente nos aceleradores, como o LHC na
fronteira da Suíça com a França, são excitações de uma mesma corda fundamental. A corda
por definição é um objeto unidimensional, ou seja, tem um comprimento, ao contrário das
partículas elementares, como o elétron ou os quarks, que são supostos puntiformes, isto é,
sem tamanho algum. O fato das partículas elementares serem interpretadas como excitações
de uma corda é semelhante à relação entre uma corda de um violão e as notas musicais que
ela pode gerar. Dependendo de como a corda do violão é tocada, diferentes sons são emitidos.
Assim, dependendo de como a supercorda é excitada surgem diferentes partículas
subatômicas.
Por que chamamos a corda fundamental de supercorda?
Na natureza encontramos partículas de spin inteiro (0, 1, 2, ...) ou semi-inteiro (1/2, 3/2, ...). O
elétron, o próton e o nêutron, por exemplo, tem spin 1/2. Já o fóton, os glúons (os
responsáveis pela interação nuclear forte), o W+, o W- e o Z (responsáveis pela interação
nuclear fraca) tem spin 1. O gráviton (o quantum da gravitação, se existir) deve ter spin 2. As
partículas de spin inteiro são chamadas bósons, em homenagem ao físico indiano Satyendra
Nath Bose, que primeiro descreveu o comportamento dessas partículas. Já as partículas de
spin semi-inteiro são chamadas férmions, em homenagem ao físico italiano Enrico Fermi,
também por sua contribuição à compreensão do comportamento dessas partículas.
Os bósons e férmions são muito diferentes entre si, pois podemos reunir muitos bósons num
mesmo estado quântico, enquanto que somente um único férmion pode ocupar um estado
quântico. Assim podemos facilmente distinguir esses dois tipos de partículas, que todavia
podem interagir entre si. Por exemplo, um elétron e um próton por possuirem cargas elétricas
interagem entre si através da troca de fótons, que são as partículas responsáveis pela
interação eletromagnética.
Na teoria de cordas existe uma relação profunda entre os bósons e os férmions, a chamada
supersimetria, daí o nome supercorda. A supersimetria pode ser pensada como uma
transformação que leva um bóson em um férmion, e vice-versa. Uma corda cujas excitações
podem ser tanto bósons quanto férmions é chamada de supercorda. Historicamente, a teoria
original das cordas propunha uma corda que só tinha como excitações partículas de spin
inteiro, isto é, bósons, e portanto é chamada de corda bosônica. Como na natureza
encontramos tanto bósons quanto férmions, concluímos que a teoria de cordas apropriada
para descrever todos os tipos de partículas que conhecemos é a teoria de supercordas.
Em quantas dimensões vive uma corda ou uma supercorda?
No mundo como o percebemos, podemos identificar três dimensões espaciais e uma
dimensão temporal. Pode parecer estranho dizer que o tempo tem uma dimensão. De fato, de
acordo com a descrição de Isaac Newton, o espaço e o tempo são entidades completamente
distintas. Mas de acordo com a Teoria da Relatividade, de Albert Einstein, espaço e tempo
formam uma única entidade chamada espaço-tempo. Daí porque dizer que o tempo tem uma
dimensão, já que um número é suficiente para determinar um instante de tempo.
A teoria de cordas é uma teoria quântica e relativística e portanto definida num certo espaçotempo. As teorias quânticas, em geral, são descritas por equações semelhantes às equações
clássicas e subsequentemente são quantizadas, o que significa dizer que os sistemas quânticos
guardam certas propriedades comuns aos sistemas clássicos, mas adquirem também novas
propriedades só encontradas em sistemas quânticos. Esse processo de levar uma teoria
clássica em uma outra quântica é chamado de quantização. Isso ocorre com muitas teorias,
como por exemplo o eletromagnetismo clássico, que uma vez quantizado se chama de
eletrodinâmica quântica (EDQ - ou QED na sigla em inglês), uma das teorias mais bem
sucedidas da Física. Acontece que ao quantizar uma corda podem surgir inconsistências que
estragariam algumas de suas propriedades básicas, chamadas simetrias. Para evitar essas
inconsistências somos levados a fixar a dimensão do espaço-tempo onde vivem as cordas e as
supercordas. No caso da corda bosônica, o espaço-tempo tem que ter dimensão 26 (25
espaciais e uma temporal), enquanto que a supercorda vive em 10 dimensões do espaçotempo (9 dimensões espaciais e uma temporal).
No próximo Blog, volto a escrever sobre as cordas. Até lá.