GUT – Teoria da

Grande Unificação

                        GUT - Teoria da Grande Unificação (Grand Unified Theory), ou a Teoria do Tudo (TOE – Theory Of  Everything):

                        É uma teoria que busca aprofundar o entendimento da origem do universo, de maneira a analisar sua origem sobre a perspectiva clássica, relativística e quântica.

                        Essa teoria sobre todas as coisas busca juntar de alguma forma as quatro forças de que temos conhecimento, a saber: a força gravitacional (que ganha força em enormes estruturas), a força eletromagnética (responsável pela formação dos átomos e de moléculas), a força nuclear forte (responsável pela ligação dos quarks no interior dos hadrons, e também pela coesão dos prótons e nêutrons), e por último a força nuclear fraca (aquela que corresponde a emissão de radioatividade por um elemento químico instável, onde o núcleo decai, emitindo partículas). As quatro são descritas por teorias concebidas separadamente.

                        A pergunta que ronda a mente de todos os diretamente envolvidos com a física é, seria possível uma teoria tal que com ela fossemos capazes de descrever quaisquer dessas forças de uma maneira simultânea e unívoca. Quais seriam os frutos dessa teoria? Com ela conseguiríamos descrever com mais exatidão nosso universo, ou ainda, será que seríamos capazes de ir mais longe na busca da nossa origem?

A GUT E O MODELO PADRÃO

                        O modelo padrão diz respeito ao modelo das partículas elementares. Ainda é difícil agregar a gravidade a ele, pois desconhecemos, na prática, existência de uma partícula elementar responsável pela gravidade. Foi fundamentado por mais de 1000 pesquisadores, todo o universo é formado por 4 forças e 12 partículas.

                        Para estudar pequenas distâncias, temos que abandonar a mecânica clássica e partir para a quântica, que muito bem descreve os movimentos e interações sendo que os mesmos acontecem com uma velocidade muito pequena (não-relativística), o problema se dá quando é feita uma análise quântica de um sistema com partículas com velocidades relativísticas, os resultados são longe do esperado.

                         Para estudar as propriedades dessas partículas que formam a matéria se utiliza o método de colisão, ou melhor, espalhamento para ser mais específico. Existe uma quantidade denominada amplitude de espalhamento, que de forma geral é bastante complexa (insolúvel em algumas circunstâncias), entretanto uma vez conhecida a equação que descreve esta quantidade com ela somos capazes de descrever toda a colisão. A teoria da perturbação não consegue obter resultados finitos para a amplitude. Mas existe uma técnica denominada renormalização, que dá resultados finitos no emprego da teoria da perturbação na equação da amplitude de espalhamento. Essa técnica é empregada também quando se usa o Modelo Padrão, porém o resultado da equação diverge quando aplicada à gravitação. Existe uma incompatibilidade entre a quântica e a relatividade geral. A gravidade seria quantizável em distancias muitíssimo pequenas da ordem de dez na menos trinta e três centímetros, por isso costuma-se simplificar dizendo que ela não é quantizada. Isso traz uma incompletude para a teoria, fato que de forma prática observamos no estudo dos buracos negros, onde há uma necessidade de fazer com que a gravidade seja de alguma forma quantizada, ou seja, necessita da elaboração de uma teoria quântica da gravitação.

                        Qual é o problema com os buracos negros? Se imaginássemos uma partícula interagindo com o buraco negro e assumindo os efeitos quânticos, chegaríamos a conclusão de que o buraco negro emitiria energia em forma de radiação eletromagnética (“Radiação de Hawking”), tal como se fosse um corpo aquecido, transformando sua massa inteira em radiação, resultando somente em energia (térmica), aparece aqui o “paradoxo da informação”*.

Bóson de Higgs

Outras questões muito pertinentes, na verdade devem ser, qual a partícula que seria responsável por dar massa às partículas? E por que a massa atribuída a cada partícula elementar é distinta? Deveríamos assumir uma suposta 13ª partícula tal que ela “produziria” massa nas partículas. Essa partícula (ou suposta partícula) recebe o nome de Bóson de Higgs. Os cientistas hoje estão procurando descobrir a sua existência, que seria uma peça faltando no quebra-cabeças do universo. A descoberta do Bóson de Higgs seria a redenção do Modelo Padrão, enquanto a descoberta da sua inexistência derrubaria por terra o Modelo, que de fato é altamente dependente da existência dessas partículas, caso contrário, o universo não teria massa, matéria. Devido a ter tanta importância e talvez também por ser tão misteriosa, essa partícula é conhecida também como a “partícula de Deus”. Como a pouco foi mencionado, ainda essa partícula não foi detectada.

Por meio de experimentos em aceleradores de partículas estipulasse um valor limitado a não ser menor que 114.4GeV. Espera-se que com a conclusão do grande acelerador de partículas entre a Suíça e a França, possamos, de fato, observar ou não a existência do bóson de Higgs, de forma a ter resultados efetivos sobre tal. Observacionalmente também se constatou indiretamente que o bóson teria uma massa com um limite superior de 175GeV, dados de março de 2006. Especula-se que ao contrario da gravidade, onde o campo se amplifica com maior presença de massa, o bóson de Higgs seria como um campo, chamado “campo de Higgs” que é uniforme, essa uniformidade poderia ser (já que tem semelhanças) a energia escura. Ou seja o Bóson toma uma importância ainda maior que já tinha.

Abaixo pode ser vista uma concepção artística dos rastros deixados pelos prótons ao colidir no LHC para a possível observação do Bóson de Higgs.

Fig.1: Rastros de prótons no LHC

Um pouco sobre os Quarks

Quark, em física de partículas, é um dos dois elementos básicos que constituem a matéria (o outro é o lépton) e é a única das partículas que interage através de todas as quatro forças fundamentais. O quark é um férmion fundamental com carga hadrônica ou cor. Não se observaram ainda quarks em estado livre. Segundo o Modelo Padrão, os quarks ocorrem em seis tipos na natureza: "top", "bottom", "charm", "strange", "up" e "down". Os dois últimos formam os prótons e nêutrons, enquanto os quatro primeiros são formados em hádrons instáveis em aceleradores de partículas.

Os quarks têm uma unidade de carga hadrônica, que aparece em três tipos distintos (cores). O campo hadrônico é também chamado de força nuclear forte. A teoria que estuda a dinâmica de quarks e das cargas hadrônicas (mediadas pelos glúons) é chamada Cromodinâmica Quântica. Segundo a Cromodinâmica Quântica, os quarks podem formar estados ligados aos pares e às trincas. Os pares de quarks são chamados mésons e as trincas hádrons. O próton é uma trinca de quarks, formado por dois quarks "up" e um quark "down". O nêutron é outro estado ligado de três quarks, dois deles "down" e um "up".

Tabela 1: As doze partículas fundamentais

Partículas Elementares
Primeira Geração	Segunda Geração	Terceira Geração
Elétron	Muon	Tau
Neutrino	Neutrino do Muon	Neutrino do Tau
Quark para cima	Quark Charmoso	Quark Superior
Quark para baixo	Quark Estranho	Quark Inferior

Tabela 2: As doze anti-partículas

Anti-Partículas
Primeira Geração	Segunda Geração	Terceira Geração
Pósitron	Muon Positivo	Tauon Positivo
Elétron-antineutrino	Muon-antineutrino	Tauon-neutrino
Anti-quark para cima	Anti-quark Charmoso	Anti-quark Superior
Anti-quark para baixo	Anti-quark Estranho	Anti-quark Inferior

Fig. 2: Partículas fundamentais com sua respectiva massa.

Teoria das Cordas

O problema da incapacidade teórica de incluir a gravidade na teoria de tudo, mais alguns outros empecilhos levaram à construção de teorias alternativas capazes de aumentar o escopo do modelo padrão.

Uma delas foi a teoria das cordas. Ela foi idealizada da seguinte maneira. Uma corda relativística extensa de forma que a mesma possuía modos de vibração quantizados correspondidos pelas partículas elementares. Há dois tipos de cordas, fechadas e abertas. Na teoria das cordas fechadas, há uma partícula com todas as propriedades do gráviton** , ligando a teoria à gravitação. Quando fizermos com que a corda tenha uma dimensão muito pequena, pontual, teremos como correspondente a teoria da relatividade geral. Entretanto ela assume a existência de partículas com velocidade acima a da luz, violando princípios conhecidos, ou aceitos hoje em dia. Então para que isso não ocorra é necessário incluir uma teoria supersimétrica, que eliminará a existência dessa partícula.

Essa nova teoria ganha o nome de Teoria das Supercordas.

Teoria das Supercordas

A teoria das Supercordas é similar a teoria das cordas, entretanto ela assume uma supersimetria. Para resolver o problema dos infinitos na equação de espalhamento a teoria admite um tratamento perturbativo. De forma que qualquer amplitude de espalhamento de cordas pode ser expandida em série e truncada nos primeiros termos. As divergências nessa teoria se dão em regiões finitas de maneira a produzir um resultado finito para a equação, sem utilizar a renormalização. É a primeira teoria de gravitação quântica bem comportada. A teoria das supercordas só tem sentido em 10 dimensões, de maneira que as 4 que conhecemos estas sim surgiram nos primeiros instantes do universo e a partir daí se desenvolveram formando nosso universo, enquanto as outras 6 se “dobraram” (se enrolaram em si mesmas), permanecendo com um comprimento da ordem do comprimento de Panck. Existem 5 tipos de teorias de supercordas.: elas são conhecidas como: tipo I que descreve uma supercorda aberta; tipo IIa e IIb que descrevem supercordas fechadas; supercordas heteróticas SO(32) e  que correspondem a uma combinação de cordas abertas e cordas fechadas, onde SO(32) e  é a forma matemática para indicar a  simetria.

Existe ainda a Teoria M, que inclui não só cordas, como também membranas, e ela requer um universo de 11 dimensões. As membranas podem ter várias dimensões. Quando uma p-brana (membrana de dimensão p) vibra, cria modos de vibração correspondentes a certas partículas, sem poderem ser obtidos tais modos por cordas apenas.

Ainda mais longe existe a Teoria F, que inclui 10, 11 ou 12 dimensões.

Bibliografia

http://www.fma.if.usp.br/~rivelles/Seminars/superstrings/sc1.html

Wikipedia (www.wikipedia.com)

Ciência Hoje, volume 23 – Maio de 1998

Scientific American – Novembro de 2003

http://tena4.vub.ac.be/beyondstringtheory/index2.html- última atualização: Junho de 2006

String Theory and Quantum Gravity -Worlds Scientific- 1993

Tópicos Extras

Paradoxo da Informação: resulta do somatório de efeitos previsíveis em algumas teorias envolvendo as leis de um universo imaginário com as leis da relatividade geral e a mecânica quântica igualmente deduzidas. A informação originada dos buracos negros é efeito que tem sido um assunto controverso entre os cientistas, visto que a informação a qual os sentidos humanos são adaptados, dependem da energia eletromagnética, ou seja, da luz e como, os buracos negros atraem tanto a matéria como a energia da luz, não há como confirma-los ou saber da existência deles tanto no macro como no microcosmo. (Wikipedia)

Grávitons: É uma partícula elementar responsável pela força gravitacional. Essa força se dá sempre de maneira atrativa. Na verdade estas partículas são postulados, uma vez que a postulação de outras partículas em outros tipos de forças teve um resultado muito bem sucedido aos olhos da física quântica. Não tem comprovação experimental. Sua comprovação é ainda mais difícil devido à incrível fraqueza da força gravitacional. Isso está associado também à não descoberta de ondas gravitacionais, as mesmas poderiam nos levar à origem do universo, ou pelo menos, até uma data mais avançada que a radiaçao de fundo.

                        Bom, após essa pesquisa, creio que todos nós acabamos ficando com mais dúvidas do que certezas, mas perguntas do que respostas. Enfim, a física inteira se sente assim em respeito a esse problema. Dezenas de teorias tentam unificar as forças do universo e de uma vez por todas, de maneira unívoca, representar o universo tal como ele é. Entretanto nessa busca a ciência percebeu que certas leis, certas teorias, funcionam apenas para determinadas escalas da realidade, dando lugar a outras teorias para uma escala diferente. Encontra-se ai a dificuldade de encontrar uma teoria de tudo. Uma teoria de tudo deveria descrever de forma clara e distinta o universo não importando em qual escala o vemos. Entretanto, ainda continuaremos com um grande problema, ainda que tivessemos obtido essa teoria, explicaríamos de que maneira as coisas acontecem, mas o que continuaríamos sem resposta dá-se na seguinte pergunta: Por que as coisas acontecem DESSA forma? Um universo aparentemente insolúvel.

                        Essa é a maior empreitada da humanidade, sem nenhuma dúvida. Conseguir colher os frutos desse árduo trabalho seria algo como estar tirando o véu que cobre os mistérios do universo. Mas como nós sabemos a luz do conhecimento é forte, é tão forte a ponto de cegar qualquer um que ousar tirar esse véu de forma muito rápida, então, como calmamente a água bate nas rochas no litoral, lentamente moldando-as, lentamente o homem retirará este véu, sendo cada vez mais iluminado pela luz do conhecimento, assim esperamos, esse é o