Teoria do Campo Unificado: Ligando Tudo Juntos

Durante séculos, os investigadores têm tentado descrever todas as forças fundamentais da natureza e como interagem numa única teoria. Esta teoria de campo unificada surpreendeu os investigadores como Albert Einstein, que trabalhou na teoria durante muitos anos.

Na física, um campo é uma área sob a influência de alguma força, tal como a gravidade ou o electromagnetismo. Uma teoria de campo refere-se geralmente à razão pela qual os fenómenos físicos acontecem, e como estes fenómenos interagem com a natureza.

As quatro forças fundamentais são:

• Interacção electromagnética: O electromagnetismo refere-se a interacções que afectam partículas carregadas electricamente, particularmente para tipos de luz. A partícula para esta força é chamada o fotão.
• Interação forte: Esta é a força que une os neutrões (partículas carregadas neutralmente) e os prótons (partículas carregadas positivamente) num núcleo dentro do átomo, que é a unidade básica de um elemento químico. A partícula para esta força é o gluon.
• Interacção fraca: Esta força causa alguns tipos de radioactividade, e é activa em pequenas partículas, tais como electrões, quarks e neutrinos. As partículas para esta força são os bósons W e Z.
• Interacção gravitacional: A gravidade é a interacção atractiva que afecta todos os pedaços do universo, sejam eles grandes ou pequenos. Embora não descoberta, a partícula teórica para esta força seria o gravitão.

obra de Einstein

físico britânico James Clerk Maxwell criou a primeira teoria de campo em meados do século XIX, relativa ao electromagnetismo. Depois, no início do século XIX, Einstein postulou a sua teoria da relatividade geral, que tem a ver com a teoria de campo da gravitação.

Einstein tentou desenvolver uma teoria de campo unificada nos anos 20, mas foi impedido porque apenas algumas das forças eram conhecidas na altura. Embora o electromagnetismo e a gravidade fossem bem reconhecidos, os estudos do átomo estavam na sua infância; na altura, o electrão e o protão eram as únicas partículas subatómicas conhecidas, de acordo com a Sociedade Física Americana.

Einstein (colaborando no início com Jacob Grommer) construído com base no trabalho de outros cientistas, que estavam a tentar transformar o espaço-tempo em cinco dimensões. Especificamente, o trabalho de Einstein sobre espaço-tempo assumiria quatro dimensões, e um conjunto extra de equações (representando as equações de Maxwell para o electromagnetismo) seria a quinta. Entre os cientistas que trabalharam neste problema contam-se Hermann Weyl, Theodor Kaluza e Oskar Klein.

O primeiro trabalho de Einstein sobre a teoria foi em 1922, fazendo eco do trabalho que foi publicado por Kaluza em 1921. Mais tarde na sua carreira, segundo a APS, Einstein tentou também uma teoria unificadora que generalizaria o tensor métrico (que mede a curvatura do espaço e do tempo). Einstein tentou ambos os métodos durante as últimas três décadas da sua vida, sem sucesso. Ele até pediu que as suas notas lhe fossem trazidas na véspera da sua morte, disse a APS.

Abordagens mais recentes

Uma limitação com o trabalho de Einstein foi no início a sua rejeição, e depois a sua ignorância da teoria quântica (que ele reconheceu à medida que os anos foram passando.) Mas ainda hoje, os cientistas que estão familiarizados com a teoria quântica estão também a ter dificuldade em chegar a uma teoria unificada.

Existem muitas abordagens a serem consideradas, mas a mais promissora, segundo a APS, envolve a teoria das cordas. A teoria “descreve todas as partículas elementares como cordas vibrantes, com diferentes modos de vibração produzindo diferentes partículas”.

Nos anos 80, os físicos (liderados por John Schwarz e Michael Green) concluíram que a teoria das cordas poderia funcionar devido às suas vibrações. À semelhança de como um violino toca notas diferentes, a teoria foi, diferentes vibrações nas cordas da natureza criariam partículas diferentes. Em meados da década de 1990, Edward Witten propôs teorias mais exactas sobre a teoria das cordas, agora chamada Teoria M. O seu trabalho expandiu as dimensões da teoria das cordas de seis para sete, e mostrando novos ingredientes da teoria (incluindo marcas, ou objectos semelhantes a membranas em várias dimensões.)

O trabalho neste campo está muito a emergir, mas os investigadores estão a tentar aprender mais propriedades físicas da corda estudando as partículas subatómicas produzidas em aceleradores de partículas, tais como o Grande Colisor de Hadron. Entre outras direcções, as experiências LHC destinam-se a procurar a super-simetria, ou uma suposta propriedade matemática em que cada espécie de partícula teria uma espécie de partícula parceira.

Físicos advertem que uma fraqueza da teoria das cordas é que esta ainda não foi confirmada pelos dados. Existem também outras abordagens à teoria do campo unificado, tais como a gravidade quântica, que tenta descrever a gravidade nos termos da matemática quântica.