A física moderna tem um tipo de fixação com simetria O que impressiona qualquer pessoa que se aproxime minimamente do assunto. Não importa se estamos falando de partículas subatômicas, galáxias ou um simples copo de vinho: os físicos retornam repetidamente às simetrias como se fossem uma bússola para a compreensão do universo. E, honestamente, são mesmo. Costuma-se dizer, meio brincando, meio falando sério, que se realmente compreendêssemos… De onde vem a simetria? Poderíamos decifrar os segredos mais profundos da realidade. Por trás dessa frase, esconde-se algo muito sério: boa parte das leis que governam o cosmos, da conservação de energia às hipóteses sobre a matéria escura, estão escritas na linguagem das simetrias e, indo além, da supersimetria.
O que entendemos por simetria na física?
Na linguagem cotidiana, quando falamos de simetria, pensamos em algo visual e equilibrado, como o corpo humano.Se desconsiderarmos pintas, cicatrizes e pequenas imperfeições, nossos lados esquerdo e direito parecem notavelmente semelhantes. Se você colocar uma câmera em frente a um espelho e enquadrá-la corretamente, a foto do seu reflexo e a foto sua tirada diretamente serão praticamente indistinguíveis. O espelho realiza uma operação muito específica: ele troca os lados esquerdo e direito, e ainda assim o resultado parece o mesmo. Outro exemplo cotidiano é uma taça de vinho bem feita. Se você a colocar sobre uma mesa e girá-la em seu eixo vertical, Sua aparência permanece inalterada. para qualquer ângulo de rotação. Se alguém entrar na sala, virar o copo e você voltar mais tarde, não conseguirá dizer se o copo foi girado ou não apenas olhando para ele. O sistema é, para o observador, o mesmo antes e depois da rotação. Em física, esses exemplos são formalizados dizendo que uma simetria é uma operação que, quando aplicada a um sistema, Não altera suas propriedades fundamentais.No primeiro caso, falamos de simetria de paridade (troca esquerda-direita), no segundo, de simetria cilíndrica ou rotacional. O truque é identificar quais transformações são “inofensivas”, isto é, quais deixam intactas as equações que descrevem o sistema. Esse conceito vai muito além do visual. A simetria em uma expressão matemática também é discutida quando, após realizar uma determinada transformação (por exemplo, inverter uma variável ou rotacionar um sistema de coordenadas), a fórmula resultante corresponde à originalNa matemática moderna, as simetrias são descritas por estruturas altamente refinadas (grupos, representações, álgebras de Lie, etc.) que se tornaram ferramentas indispensáveis para os físicos. Detectar simetrias não é um capricho estético. É a maneira de saber que tipo de operações podemos realizar em um sistema sem alterar seus resultados observáveis. Na prática, isso reduz bastante a complexidade dos problemas, porque Isso elimina imediatamente muitas possibilidades. o que seria incompatível com essa simetria.
Por que a simetria reina na física moderna?
Imagine que você queira construir uma teoria física para um mundo que seja uma esfera perfeita. Intuitivamente, você sabe que qualquer rotação dessa esfera deixa tudo igual: Não existe ponto privilegiadoSe as leis da física dependessem da posição específica na esfera, seria possível distinguir um ponto de outro por meio de experimentos, e a simetria seria quebrada. Portanto, as equações que você escreve não podem fazer distinções entre pontos; elas devem respeitar essa simetria. Esse tipo de raciocínio permeia toda a física moderna. O Modelo Padrão, que descreve as partículas elementares e suas interações (com exceção da gravidade clássica), é literalmente construído sobre esse princípio. em conjuntos de simetrias abstratas que relacionam as partículas umas às outras e restringem como elas podem interagir. Essas simetrias não são adicionadas no final para embelezar a teoria; elas são o próprio esqueleto do modelo. Algo semelhante acontece na relatividade geral, mas com simetrias diferentes. A teoria de Einstein se baseia na ideia de que as leis da física devem ser válidas em qualquer referencial razoavelmente móvel, o que se traduz em uma invariância sob certas transformações do espaço-tempoNovamente, a simetria não é apenas uma curiosidade, mas um requisito para a consistência. No trabalho diário de um físico, isso se traduz em uma espécie de lema: “nem tudo é válido”. As simetrias atuam como um guia brutalmente eficaz para descartar teorias possíveis e para projetar novas. Muitas das propostas na física além do Modelo Padrão, desde teorias da grande unificação até modelos de gravidade quântica, surgem precisamente da exigência de mais simetrias, ou da quebra delas de maneiras muito controladas.
Teorema de Noether: a ponte entre simetria e conservação
No início do século XX, a matemática alemã Emmy Noether formulou um resultado que muitos consideram uma das joias mais profundas da física teóricaSeu teorema estabelece uma ligação direta entre simetrias e quantidades conservadas. Simplificando: sempre que uma teoria possui uma simetria contínua, uma quantidade que permanece constante ao longo do tempo parece estar associada a ela. Por exemplo, a conservação de energia está relacionada à… simetria em relação ao deslocamento no tempoSe as leis da física não mudam de um dia para o outro (isto é, se são as mesmas hoje e amanhã), então a energia total de um sistema isolado é conservada. A conservação do momento linear está associada à simetria translacional no espaço: se mover todo o experimento alguns metros não altera seus resultados, o momento permanece constante. Algo semelhante ocorre com o momento angular, que está ligado à… simetria rotacionalSe a rotação de todo o sistema não altera suas propriedades físicas, então o momento angular total permanece constante. E o mesmo ocorre com outras grandezas conservadas, como a carga elétrica, que correspondem a simetrias internas mais abstratas. O incrível do teorema de Noether é que ele nos permite extrair informações valiosas de uma teoria sem precisar resolver todas as suas equações. Basta identificar suas simetrias para saber quais grandezas permanecem imutáveis. Esse truque se aplica da mecânica clássica à física quântica de campos, e todo estudante que se depara com ele experimenta um pequeno choque. Parece que uma verdade muito profunda emerge de repente. sobre como o universo está organizado.
Bósons e férmions: duas famílias muito diferentes.
Ao abordarmos a mecânica quântica de sistemas com muitas partículas, encontramos dois tipos principais: férmions e bósonsEssa classificação não é arbitrária; ela está ligada a uma propriedade intrínseca das partículas chamada spin, relacionada ao momento angular quântico. Férmions (como elétrons, prótons ou nêutrons) possuem spin semi-inteiro (1/2, 3/2, etc.) e obedecem ao princípio de exclusão de Pauli. Isso significa que Eles não podem compartilhar exatamente o mesmo estado quântico.Na prática, isso significa que eles “não gostam de se agrupar”, apesar de terem todas as suas propriedades idênticas. Essa regra simples explica tudo, desde a estrutura dos átomos até a estabilidade da matéria que tocamos diariamente. Os bósons, por outro lado, têm spin inteiro (0, 1, 2…) e são muito mais sociáveis. Eles podem ocupar o mesmo estado quântico sem problemas. Em alguns sistemas, inclusive, todas as partículas bosônicas acabam no mesmo estadocomo ocorre em lasers ou condensados de Bose-Einstein. O fóton, o bóson de Higgs e os píons são exemplos de bósons que conhecemos bem em laboratório. Essa diferença no comportamento coletivo faz com que férmions e bósons pareçam dois mundos separados. Um constrói a “matéria” (elétrons, quarks, léptons em geral), enquanto o outro geralmente é responsável por mediar interações fundamentais (fótons para o eletromagnetismo, glúons para a interação forte, etc.). Eles não parecem ter muito em comum… a menos que haja uma simetria mais profunda que os ligue. E é aí que entra a supersimetria, uma ideia que sugere que, talvez, Férmions e bósons são duas faces da mesma moeda., conectados por uma transformação ainda mais sutil.
Das simetrias comuns à supersimetria
A partir das décadas de 60 e 70, físicos teóricos começaram a se perguntar se seria possível imaginar novas simetrias que iam além das já conhecidas no Modelo Padrão. Se as simetrias usuais se mostraram tão úteis para a construção de teorias, por que não explorar se poderia haver uma versão expandida do conceito que relacionasse diretamente férmions e bósons? Historicamente, houve alguns passos anteriores muito interessantes. O físico japonês Hironari Miyazawa propôs em 1966 um tipo de supersimetria hadrônica entre bárions (férmions compostos, como prótons e nêutrons) e mésons (hádrons bosônicos). Para descrever essas relações, ele introduziu estruturas matemáticas que hoje identificaríamos como superálgebras do tipo SU(3|3), mesmo sem ainda usar essa terminologia moderna. Pouco depois, no início da década de 70, vários grupos trabalharam em modelos duais e nas primeiras teorias de cordas. Gervais e Sakita introduziram o que chamaram de transformações “supergauge”Esses foram precursores diretos das transformações supersimétricas atuais. Paralelamente, Golfand e Likhtman estenderam a álgebra de Poincaré (que descreve as simetrias básicas do espaço-tempo relativístico) para uma versão “graduada”, incorporando geradores que misturavam graus de liberdade bosônicos e fermiônicos. Modelos específicos também surgiram, como o de Volkov e Akulov, que previu um férmion de spin 3/2 associado a uma supersimetria não linear. Mas foi o modelo formulado por Wess e Zumino em 1973 que realmente representou um avanço significativo. aquela que terminou de consolidar a supersimetria como uma extensão séria e sistemática da estrutura das teorias quânticas de campos. A partir de 1974, a ideia ganhou força e começou a ser naturalmente integrada às tentativas de estender o recém-consolidado Modelo Padrão. Há até mesmo uma “pré-história” mais remota: em 1937, Wigner classificou as representações irredutíveis do grupo de Poincaré e encontrou estruturas matemáticas com torres infinitas de helicidades inteiras e semi-inteiras. Essas representações, que na época pareciam objetos exóticos sem aplicação física, revelaram-se naturalmente relacionadas a ideias supersimétricasembora ninguém tenha percebido isso até décadas depois.
O que a supersimetria realmente propõe?
Em sua forma mais básica, a supersimetria (ou SUSY, para abreviar) afirma o seguinte: a cada partícula conhecida deve corresponder um parceiro supersimétrico com o mesmo conjunto de propriedades internas (carga, spin modificado, etc.), mas com uma natureza bosônica ou fermiônica trocada. Assim, cada férmion no Modelo Padrão está associado a um bóson supersimétrico e vice-versa. O elétron, por exemplo, teria um parceiro chamado selectron, que se comportaria como um bóson com propriedades muito semelhantes, exceto por essa mudança fundamental no tipo de spin. Da mesma forma, os quarks seriam emparelhados com os squarks, e Bósons como o glúon seriam acompanhados por um férmion chamado gluino.Os fótons seriam emparelhados com fotinos, os grávitons com gravitinos, e assim por diante para todo o catálogo de partículas relevantes. Se a simetria fosse perfeita, cada par teria a mesma massa, o que significaria que, em experimentos, sempre veríamos a partícula e seu parceiro supersimétrico produzidos sem dificuldade. Mas não é esse o caso: até hoje, Nenhuma dessas superpartículas foi observada. De forma conclusiva. Para salvar a teoria, os físicos introduzem a ideia de quebra de supersimetria: a simetria existe nas equações fundamentais, mas em nosso universo ela está “quebrada”, de modo que as massas das superpartículas são muito maiores do que as de suas contrapartes comuns. Isso implica que detectá-las requer energias extremamente altas, como as alcançadas nos aceleradores do LHC (Grande Colisor de Hádrons). De acordo com muitos modelos, as massas dessas superpartículas devem estar na faixa entre cerca de 100 GeV e 1 TeV, uma faixa de energia que Isso foi explorado em experimentos como o ATLAS e o CMS.Até o momento, não surgiram evidências convincentes, o que nos leva a refinar os modelos, ampliar o escopo da busca ou questionar algumas premissas.
Por que a supersimetria fascina tantos físicos?
A supersimetria não é apenas uma construção matematicamente bela, embora certamente o seja. Seu principal atrativo reside nas respostas sugestivas que oferece a diversos problemas em aberto na física atualUm dos problemas mais discutidos é o chamado problema da hierarquia: por que a interação fraca é tão forte em comparação com a gravidade, ou, dito de outra forma, por que a massa do bóson de Higgs é tão “pequena” em comparação com a escala de Planck. Sem supersimetria, os cálculos quânticos da massa do Higgs tendem a produzir resultados absurdamente grandes, exigindo ajustes extremamente precisos para reconciliá-los com as observações. Com a supersimetria (SUSY), as contribuições de férmions e bósons para essas correções são parcialmente canceladas, o que… Isso alivia o problema naturalmente. e nos permite manter a massa do bóson de Higgs dentro da faixa apropriada sem recorrer à manipulação numérica. Outro ponto forte é a matéria escura. Observações cosmológicas indicam que aproximadamente 85% da matéria no universo é de um tipo que Não emite nem absorve luz.mas exerce influência gravitacional sobre galáxias e aglomerados. O Modelo Padrão não oferece bons candidatos para explicar essa matéria escura, além de neutrinos com massa, que parecem insuficientes. Em muitos modelos supersimétricos, no entanto, a partícula supersimétrica mais leve (LSP) é estável e neutra, e se encaixa muito bem com as propriedades esperadas de uma partícula de matéria escura. Além disso, a supersimetria facilita a unificação das interações fundamentais. Se extrapolarmos como as constantes de acoplamento (aquelas que medem a intensidade das forças) evoluem com a energia, Em um modelo sem SUSY, elas não se intersectam de forma nítida. em um único ponto. Com a supersimetria adicional, essas curvas tendem a se aproximar mais em energias muito altas, alimentando as esperanças de uma grande teoria unificada onde o eletromagnetismo, a interação fraca e a interação forte sejam manifestações de uma única força em energias extremas. Finalmente, a supersimetria desempenha um papel fundamental nas teorias de cordas e supercordas, que tentam descrever a gravidade usando regras quânticas, e na teoria da gravidade quânticaSem supersimetria, as teorias de cordas sofrem sérios problemas de consistência (emergência de táquions, divergências, etc.). Com ela, Os modelos passam a se comportar muito melhor. e surgem estruturas ricas de dualidades e correspondências matemáticas que revolucionaram a física teórica e ramos inteiros da matemática.
Críticas, dúvidas e o papel dos experimentos
No entanto, nem tudo é entusiasmo desenfreado. Dentro da própria comunidade da física teórica, há vozes críticas que apontam que, apesar de décadas de trabalho, Ainda não vimos nenhuma superpartícula. nos experimentos mais poderosos construídos até hoje. Cada vez que expandimos a gama de energias exploradas sem encontrar sinais, certos modelos simples de supersimetria tornam-se menos plausíveis. Há também um debate sobre como esses tópicos são apresentados ao público em geral. Em palestras ou vídeos, às vezes se gasta muito tempo revisando física básica antes de abordar a supersimetria, o que pode frustrar os entusiastas que já possuem algum conhecimento prévio. E vice-versa: algumas pessoas acham que certos divulgadores Eles vendem a supersimetria como se fosse uma verdade estabelecida.quando, na realidade, permanece uma estrutura hipotética aguardando confirmação experimental clara. Um exemplo marcante da desconexão entre teoria e experimento é encontrado no caso dos neutrinos. Por décadas, assumiu-se que eles não tinham massa, em parte por conveniência teórica em vários modelos (incluindo alguns inspirados na teoria das cordas), mas experimentos de oscilação de neutrinos demonstraram que Sim, elas possuem uma massa pequena, mas não nula.Isso forçou uma revisão e expansão dos modelos e serve como um lembrete de que a natureza sempre tem a palavra final, quer nossas construções elegantes gostem ou não. No caso específico da supersimetria, os dados do LHC têm imposto limites cada vez mais rigorosos à massa mínima que muitas superpartículas poderiam ter. Não que a supersimetria tenha sido “refutada” completamente, mas alguns de seus cenários mais simples e otimistas Eles já estão bastante encurralados.Os físicos continuam a explorar versões mais complexas, modelos com diferentes quebras de supersimetria ou extensões mais sofisticadas, mas o cenário é menos favorável do que era há vinte ou trinta anos.
Supersimetria, matéria escura e buracos negros supermassivos
A questão da matéria escura se cruza com a supersimetria de maneiras muito sugestivas. A única coisa que sabemos com certeza sobre essa matéria é a sua… pegada gravitacional no universoCurvas de rotação galáctica, lentes gravitacionais, estrutura em grande escala… Mas ainda não detectamos diretamente nenhuma de suas partículas, nem em detectores subterrâneos nem em aceleradores de partículas. Alguns modelos supersimétricos oferecem candidatos muito naturais para essa matéria escura, como certas partículas de superfície localizadas (LSPs) estáveis com interação fraca. No entanto, até agora, experimentos em busca de sinais dessas partículas, seja no espaço ou em laboratórios, não produziram resultados conclusivos. A situação é semelhante à da supersimetria (SUSY) em geral: As janelas de oportunidade para experimentação estão se fechando gradualmente.Mas ainda há espaço para alguma variante funcionar. Por outro lado, a astrofísica está revelando fenômenos difíceis de encaixar no modelo clássico. O Telescópio Espacial James Webb, por exemplo, identificou buracos negros supermassivos extremamente antigos, quase tão antigos quanto o próprio universo. De acordo com as ideias tradicionais, esses monstros deveriam se formar a partir de buracos negros menores que engolem gás, estrelas e outros buracos negros ao longo de bilhões de anos. No entanto, alguns dos observados parecem… muito grandes para a idade delesÉ aqui que entra uma hipótese convincente: a de que a matéria escura influencia diretamente a formação desses buracos negros primordiais. Pesquisadores como Alexander Kusenko e sua equipe propuseram que, no início do universo, a presença de matéria escura teria dificultado o resfriamento do hidrogênio, impedindo a formação normal de estrelas. Em vez disso, uma gigantesca nuvem quente de gás poderia ter se formado. colapsam repentinamente em um buraco negro supermassivopulando a fase estelar intermediária. O problema é que o gás tende a esfriar rapidamente, especialmente quando moléculas de hidrogênio se formam, atuando como “radiadores” eficientes. A matéria escura teria que exercer uma influência muito sutil para manter as condições necessárias. Modelos teóricos e simulações estão sendo desenvolvidos para estudar esses cenários, e o Telescópio Espacial James Webb, juntamente com futuros observatórios, poderá fornecer pistas cruciais. Se alguma dessas hipóteses for confirmada, A conexão entre matéria escura, supersimetria e buracos negros Poderia ficar ainda mais restrito. Por enquanto, porém, a situação é clara: sabemos que a matéria escura existe devido ao seu efeito gravitacional, temos ideias razoáveis (incluindo muitas supersimétricas) sobre o que ela pode ser e estamos acumulando pistas interessantes sobre seu papel na formação de estruturas cósmicas… mas Ainda não conseguimos agarrar a partícula de concreto pelo pescoço.Para ser franco. No geral, a história da simetria e da supersimetria na física mostra até que ponto o universo parece estar organizado de acordo com padrões profundosDo corpo humano ou de uma taça de vinho às partículas elementares e aos buracos negros distantes, as simetrias clássicas, formalizadas em resultados como o teorema de Noether, permitiram-nos compreender por que certas grandezas são conservadas e como as leis da física devem ser para respeitar as invariâncias básicas do espaço e do tempo. A supersimetria, com toda a sua elegância matemática e o seu potencial para resolver enigmas como o problema da hierarquia ou a natureza da matéria escura, continua a ser um importante desafio teórico à espera de um veredicto experimental definitivo. Quer seja confirmada ou nos obrigue a inventar estruturas ainda mais ousadas, já deixou uma marca profunda na forma como pensamos sobre a realidade. [related url=”https://www.cultura10.com/teoria-de-la-gravedad-cuantica-mapas-pruebas-y-encrucijadas/”]