PERSPECTIVAS
CIENTÍFICAS
A existência e a compreensão
do bóson de Higgs representam uma possibilidade de compreensão do Universo, do
jeito que ele é, por meio de uma profunda investigação da matéria, em busca de
como matéria e energia interagem.
O bóson de Higgs
aumenta a capacidade de explicarmos o universo pela via analítica e racional,
sem apelo ao misticismo religioso e a divindades exóticas.
O próximo passo para o
conhecimento será integrar o modelo padrão à força gravitacional, cujo
mecanismo no mundo das sub-partículas ainda é desconhecido.
Temos ainda de entender
o que é a matéria escura e a energia escura, que representam 23 e 73% do que
existe no Universo, sendo que a matéria que vemos (matéria bariônica) é
representada por apenas 4% do Universo.
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| Composição conhecida do Universo |
A energia escura é o que
tende a acelerar o Universo, tendo uma forte pressão negativa, com uma forte
disputa com a gravidade. No início do Universo, a gravidade assumiu a liderança, dominando a energia
escura.
Cerca de 8 bilhões de anos após o Big Bang, com o espaço se ampliando e a
matéria se diluindo, as atrações gravitacionais enfraqueceram e a energia
escura passou a dominar, acelerando a expansão do Universo.
Assim, daqui a bilhões de anos a energia escura será ainda mais dominante,
e o Universo será um verdadeiro deserto cósmico, com as galáxias se
distanciando tanto umas das outras que quaisquer seres que viverem dentro delas
não serão capazes de ver outras galáxias.
Ou seja, a expansão do Universo ganhará velocidades maiores que a da luz, o
que em nada contradiz a teoria da relatividade especial, pois os limites para a
velocidade da luz encontram barreiras dentro dos limites do Universo.
A matéria escura é uma parte do Universo que os
astrônomos sabem que existe, mas ainda não sabem exatamente o que seja. É
matéria, porque se consegue medir sua existência por meio da força
gravitacional que ela exerce. E é escura, porque não emite nenhuma luz.
A matéria escura
pode ser detectada por seus efeitos na matéria normal por meio da gravidade (rotação,
efeitos de lentes gravitacionais) e pelos raios-X emitidos pela matéria escura quente.
Há ainda a matéria escura fria e a morna.
O candidato que compõe
essa forma de matéria são os WIMPs
- weakly interacting massive particles, partículas que reagem fracamente, por meio
de força fraca e da gravidade.
A mecânica quântica que propõe a existência de múltiplos "universos
paralelos". A Interpretação de
Muitos Mundos-IMM foi formulada inicialmente por Hugh Everett para a
explicação de alguns processos não determinísticos (tais como medição) na
mecânica quântica.
O
conceito de Multiverso
tem suas raízes na moderna Cosmologia e na Teoria Quântica e engloba várias
ideias da Teoria da Relatividade de modo que pode ser possível a existência de
inúmeros Universos onde todas as probabilidades quânticas de eventos ocorrem.
Simplesmente há espaço suficiente para acoplar outros universos numa estrutura
dimensional maior: o chamado Multiverso.
Os
Universos seriam, em uma analogia, semelhantes a bolhas de sabão flutuando num
espaço maior. Alguns seriam até interconectados entre si por buracos
negros ou de buracos de minhoca.
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| Buraco negro |
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| buraco de minhoca |
Quanto aos buracos brancos, são uma das soluções das equações de campo de Einstein, que descrevem a interacção fundamental da gravidade, tal como um resultado do espaço-tempo ser curvado por matéria e energia, mais conhecidas como a máxima extensão da métrica de Schwarzschild que descreve o campo gravitacional externo de uma massa esférica, não carregada e não rotativa.
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| Buraco branco |
A primeira ideia de multiverso é a existência de uma função estado para
todo universo a qual obedece a equação de
Schrödinger para todo tempo e para a qual não há processo de colapso da
onda. A segunda idéia é que este estado universal é uma sobreposição quântica
de vários, possivelmente infinitos, estados de idênticos universos paralelos
não comunicantes.
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| Universos paralelos |
O Big Bang pode estar fundamentado em um modelo cíclico
auto-sustentado, teorizado por Einstein, em um universo de eterna série
de oscilações seguintes, cada um começa com um big bang e terminando com um big crunch.
O modelo de Steinhardt-Turok propõe que dois orbifolds paralelos planos ou M-branas
colidem periodicamente num espaço dimensionalmente superior. O universo
quadridimensional visível situa-se sobre uma destas branas.
As colisões correspondem a uma reversão da contração para a expansão, ou um
big crunch seguido imediatamente de um big bang. A matéria e radiação que nós
vemos hoje seriam geradas durante a mais recente colisão num padrão ditado
pelas flutuações quânticas criadas antes pelas branas.
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| Branas |
A matéria e radiação que vemos hoje foram geradas
durante a colisão mais recente em um padrão ditado por flutuações quânticas, criadas
antes das membranas. Eventualmente, o universo atingiu o estado hoje observado,
antes de começar a contrair novamente bilhões
de anos no futuro.
A energia escura corresponde a uma força entre as membranas, e tem o papel crucial de resolver os problemas de monopolo, horizonte, e de planicidade do Universo.
Embora os ciclos possam continuar indefinidamente para o passado epara o futuro, a solução seja dada por um atrator, ela pode fornecer uma história completa do universo.
Sabemos das relações de dualidade entre as teorias de cordas que a geometria do espaço-tempo não é fundamental nos primórdios do universo, mas ela emerge ao nos aproximarmos de escalas maiores do que o comprimento de Planck.
Pouco após a era de Planck, os cosmólogos acreditam que houve um período chamado de inflação. A era
inflacionária é um pouco mais
fácil de definir do que teoricamente é a era de
Planck.
,
Ao final da época inflacionária
(ver mais aqui),
o Universo foi deixado em um estado
quântico pequeno, quente e denso.
A assim denominada energia do vácuo dos campos quânticos
transformou-se em uma sopa quente de fótons,
glúons e outras partículas elementares
e, dentre elas o boson de Higgs.
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| Era inflacionária |
Pelas equações de Einstein da relatividade geral,
a expansão do universo acionou-se pela
densidade de energia sob a forma de
matéria e radiação. Durante a primeira fase do Big Bang, a parte da radiação da densidade de energia é muito maior do que a parte de matéria da densidade de energia .
A matéria existe, pelo menos por enquanto, sendo que nos
primórdios foram criadas matéria e anti-matéria que se aniquilaram, sendo que o
que vemos é o resto dessa batalha.
O modelo de Steinhardt-Turok escapa à morte térmica do universo dada pela
entropia que tende a crescer em um sistema fechado, pois a expansão se torna
líquida a cada ciclo, preveninsdo os problemas acarretads pela entropia.
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| Mundo das branas |
Os problemas desse modelo são os seguintes:
O primeiro é que os teóricos da teoria das cordas não entendem como as
branas funcionam e é desconhecido se o espectro
de escala invariante será destruído pelo big
crunch.
Além disso, como a inflação cósmica, enquanto que
o carácter geral das forças (no cenário ekpirótico, uma força entre branas) necessário para criar as flutuações de vácuo é conhecido, não há candidatos iriundos
da física de partículas.
O modelo ekpirótico surgiu do trabalho
realizado por Neil Turok e Paul Steinhardt. Este modelo sustenta que o universo
não começou em uma singularidade,
mas surgiu a partir da colisão de duas branas.
Esta colisão evita a singularidade primordial e expansão superluminal
preservando flutuações de densidade
quase sem escala e
outras características do universo
observado. O modelo ekpirótico
é cíclico, embora colisões entre branas são raras na
escala de tempo da expansão do
universo de uma extensão plana
quase inexpressiva.
Observações que possam distinguir entre os
modelos inflacionários e ekpirótico incluiem a polarização
da radiação cósmica de fundo e
a distribuição de freqüência do espectro
de ondas gravitacionais. Ver aqui e aqui.
Este modelo tem sua origem na teoria das cordas, que, em
sua versão mais antiga, incorporava apenas bósons. Este modelo se expandiu na teoria das supercordas,
o qual relaciona os bósons com os férmions, por meio da supersimetria em uma tentativa de explicar todas as partículas e forças fundamentais da natureza numa única teoria,
a fim de modelá-las como as vibrações de minúsculas cordas supersimétricas.
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| Representação de uma corda |
É a teoria das
cordas bosonicas a qual prevê a existência dos bósons, partículas com valores inteiros de spin em unidades da constante de Planck, que
respeita a invariância
de Lorentz, uma
simetria observada
de espaço-tempo, ao afirmar não haver preferência de direção no espaço, caso formulada em 26 dimensões.
A teorias de cordas requer a existência de vários
extra-dimensões para o universo,
as quais foram compactadas em escalas extremamente pequenas, para
além das quatro dimensões do
espaço-tempo conhecidos.
A teoria das cordas tem
se verificado como uma ferramenta de grande utilidade nos estudos relacionados à
teoria de campos quânticos, uma vez que as partículas de um campo de calibre
são quirais e se arranjam em três gerações, conforme ocorre com o modelo padrão,
o que
é alcançado pelas variedades de Calabi-Yau as quais contêm o número certo de "picos" ou "vales".
Alguns modelos contêm partículas
de Higgs também, e até mesmo os acoplamentos de "Yukawa" para
o Higgs que dão massa às partículas.
A interacção Yukawa é assim utilizada no modelo padrão
para descrever o acoplamento entre o campo de Higgs, o quark sem massa e os campos
de Leptons (os férmions fundamentais). Pela ruptura espontânea de simetria, estes férmions
adquirem massa proporcional ao valor da expectativa de
vácuo para o campo de Higgs.
Embora deva, portanto, se dizer que existem
milhares de variedades de Calabi-Yau que não que reproduzem
nada parecido com a estrutura do modelo padrão (ver mais aqui).
As variedades de Calabi-Yau são de grande importancia no
estudo da teoria das cordas satisfazem o requisito de
espaço para as seis dimensões espaciais "invisíveis" da teoria das cordas,
que pode ser menor do que os nossos
comprimentos atualmente observáveis , uma vez que eles ainda não foram detectados.
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| variedades de Calabi-Yau |
É no modelo do mundo das branas que ocorre
a grande quantidade de dimensões extras das variedades de Calabi-Yau. Porém,
estão confinadas em um pequeno subconjunto que intercepta as D-branas.
CONCLUSÃO:
No cenário da teoria das cordas, o bóson de Higgs nada
mais é que uma corda vibrante representativa de uma das partículas do modelo
padrão, predita por este modelo.
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| A matéria |
Todos os modelos realistas da teoria das cordas que estão ou estavam tentando descrever o Universo que nos rodeia contém um campo de Higgs e um bóson de Higgs. A teoria das cordas parecia incompatível com todas as alternativas.
A descoberta do bóson de Higgs é uma vitória para a
teoria das cordas (aqui)
e uma confirmação de uma de suas previsões (uma previsão relativamente
incontroversa), que se refere aos campos escalares - uma ampla família de áreas
afins para o campo de Higgs (campos com spin nulo) que embora genéricos são muito
importantes na teoria das cordas.
O conhecimento é, sem
sombra de dúvida, a maior aventura humana, e a descoberta do bóson de Higgs é
parte desta aventura, sendo que ainda faltam descobris os outros 23% que representam
a matéria escura e os outros 77% da energia escura (a ser atingida com a quebra
de simetria da teoria das cordas).
