Unificação: À procura da Teoria de Tudo

Ideias para o futuro

Stephen Weinberg, Nobel da Física em 1979.

O que é então uma Teoria de Tudo? Em primeiro lugar, esse "tudo" não abarca Tudo - "resume-se" à Física de Partículas, tendo embora uma importância imensa em outras áreas da Física, como a Cosmologia. E também já vimos que a Ciência em geral, em última análise, vai encontrar explicação no domínio da Física de Partículas - desde a organização dos níveis de energia dos electrões nos átomos, que depende do Princípio de Exclusão, que é uma consequência dessas partículas serem fermiões; até às estatísticas das partículas, Bose ou Fermi, com tantas aplicações macroscópicas na Matéria Condensada; à base da Cosmologia, onde a Física de Partículas é usada, em última análise, para explicar a estrutura de larga escala do Universo nos dias de hoje. Mas o "tudo" das actuais Teorias de Tudo refere-se a tentarmos explicar, com uma única teoria, a existência das partículas elementares que já conhecemos e as respectivas interacções.

A primeira teoria de tudo partiu, ela também, de um princípio de simetria. Os seus criadores, Giorgi e Weinberg, pensaram que, se as simetrias de gauge funcionavam tão bem para as interacções já conhecidas, porque não o deveriam fazer para uma hipotética teoria unificada? E então foram à procura de um grupo de simetria maior, que pudesse conter os três grupos já conhecidos. Ora, aqui observamos uma coisa curiosíssima: os grupos do tipo SU(N) têm um número de geradores (os "eixos de rotação" da secção anterior) dado por N² - 1. Repare-se que para SU(2) isto dá-nos três geradores, aquilo que tínhamos discutido; e para SU(3), os oito referidos anteriormente. Quer isto dizer que para o grupo SU(5), teríamos 5² - 1 = 24 geradores, ou seja, 24 "eixos de rotação" diferentes para a teoria.

Super-Kamiokande - Um dos detectores que falharam na tentativa de encontrar provas do decaimento do protão.

E depois? Bom, pensem nas três interacções já conhecidas: o Electromagnetismo corresponde a uma rotação, as interacções fracas a três e as interacções fortes, a oito. Então, de quantas formas diferentes podemos "rodar"? Por cada "rotação electromagnética" podemos fazer três "rotações" fracas e oito "rotações" fortes. Ou seja, um total de 1 × 3 × 8 = 24 "rotações" diferentes - exactamente aquilo que esperaríamos se a simetria total do sistema fosse SU(5)!

De facto a primeira teoria de Unificação baseou-se no grupo SU(5). Era uma teoria muito bonita e notável, mas infelizmente não funcionou. Entre outras coisas, a teoria previa que os protões fossem partículas instáveis, algo que as experiências não comprovaram. Mas foi o ponto de partida para muitas outras tentativas, baseadas em grupos cada vez mais exóticos: SO(10), E₆ × E₆, ...

Mas afinal de contas o que é que queremos que uma Teoria de Tudo faça?

• Que reduza o número de parâmetros desconhecidos dos nossos modelos (actualmente cerca de 20).

• Que explique porque é que as partículas elementares têm massas tão diferentes entre si.

• Que nos faça perceber porque é que o Universo é feito de matéria e não de anti-matéria.

• Que consiga juntar a gravitação às outras três interacções para as quais temos teorias qu ânticas.

Uma galáxia do tipo espiral.

E qual ser á o melhor caminho a seguir para obtermos a tão esperada teoria de Tudo? Actualmente as melhores possibilidades parecem ser:

• Super-simetria - Introduz um tipo de simetria que prevê a existência do dobro das partículas que conhecemos actualmente. Esta teoria traz algumas vantagens, como uma porta de entrada para a Unificação com a Gravitação. Até 2010, no novo acelerador LHC poderemos confirmar se esta teoria realmente est á certa ou não.

Super-simetria - partículas "normais" e seus parceiros supersimétricos.

• Super-cordas - Finalmente uma teoria que nos diz o que é uma partícula, algo sobre o qual não temos nenhuma ideia até hoje...! Parece muito promissora como forma de juntar a Gravidade às teorias quânticas. Estas são as versões modernas da teoria de Kaluza-Klein (1920), que tentavam juntar o Electromagnetismo com a Gravitação, e que Einstein recusou sempre por requerer que vivamos num Universo com mais do que 3 dimensões!

• Teoria-M - Esta é a mais recente proposta da comunidade científica e os desenvolvimentos neste campo multiplicam-se com o passar dos dias. é uma teoria que envolve uma matem ática extremamente complicada e que prevê que vivamos num Universo com 11 dimensões! A teoria-M tem o mérito de englobar as teorias de super-cordas e de constituir um quadro de trabalho muito elegante e abrangente. No entanto, tal como as super-cordas, estamos muito longe de poder testar experimentalmente esta teoria. Mas as suas consequências para a Cosmologia, por exemplo, são verdadeiramente notáveis.

Esquema que traduz como a Teoria-M engloba as teorias de cordas.

Concluindo... Podemos estar prestes a obter uma teoria única que explique tudo da Física de Partículas, ou prestes a admitir que ainda temos muito trabalho pela frente até podermos conceber uma Teoria de Tudo. Os próximos anos trarão esclarecimentos teóricos e dados experimentais fulcrais para estas discussões, e quem trabalha nesta área sente que a comunidade científica mundial está à beira de uma nova revolução. Uma nova área para o conhecimento humano está mesmo ao virar da esquina – A teoria de Tudo, talvez, está prestes a deixar-se conhecer.