Tem sido pensado em muitas coisas: um objeto pontual, uma excitação de um campo, uma partícula de matemática pura que se tornou realidade. Mas nunca a concepção dos físicos de uma partícula mudou mais do que está mudando agora.
Dado que tudo no universo se reduz a partículas, surge uma pergunta: O que são partículas?
A resposta fácil rapidamente se mostra insatisfatória. Ou seja, elétrons, fótons, quarks e outras partículas “fundamentais” supostamente carecem de subestrutura ou extensão física. “Basicamente, pensamos em uma partícula como um objeto pontual”, disse Mary Gaillard, uma teórica de partículas da Universidade da Califórnia em Berkeley que previu as massas de dois tipos de quarks na década de 1970. E ainda assim as partículas têm características distintas, como carga e massa. Como pode um ponto adimensional suportar peso?
“Dizemos que eles são ‘fundamentais'”, disse Xiao-Gang Wen, um físico teórico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. “Mas isso é apenas uma [maneira de dizer] aos alunos:? Não pergunte! Eu não sei a resposta. É fundamental; não pergunte mais.'”
Com qualquer outro objeto, as propriedades do objeto dependem de sua composição física – em última análise, suas partículas constituintes. Mas as propriedades dessas partículas derivam não de seus próprios constituintes, mas de padrões matemáticos. Como pontos de contato entre a matemática e a realidade, as partículas ocupam ambos os mundos com uma base incerta.
Quando recentemente perguntei a uma dúzia de físicos de partículas o que é uma partícula, eles deram descrições incrivelmente diversas. Eles enfatizaram que suas respostas não são conflitantes, mas captam diferentes facetas da verdade. Eles também descreveram dois grandes esforços de pesquisa na física fundamental hoje que buscam uma imagem mais satisfatória e abrangente das partículas.
“‘O que é uma partícula?’ De fato, é uma questão muito interessante”, disse Wen. “Hoje há avanços nessa direção. Não devo dizer que existe um ponto de vista unificado, mas existem vários pontos de vista diferentes, e todos parecem interessantes.”
Uma partícula é uma “função de onda recolhida”
A busca para entender os blocos de construção fundamentais da natureza começou com a afirmação do antigo filósofo grego Demócrito de que tais coisas existem. Dois milênios depois, Isaac Newton e Christiaan Huygens debateram se a luz é feita de partículas ou ondas. A descoberta da mecânica quântica cerca de 250 anos depois provou que as duas luminárias estavam certas: a luz vem em pacotes individuais de energia conhecidos como fótons, que se comportam tanto como partículas quanto como ondas.
A dualidade onda-partícula revelou-se um sintoma de uma profunda estranheza. A mecânica quântica revelou aos seus descobridores na década de 1920 que os fótons e outros objetos quânticos são melhor descritos não como partículas ou ondas, mas por “funções de onda” abstratas – funções matemáticas em evolução que indicam a probabilidade de uma partícula ter várias propriedades. A função de onda que representa um elétron, digamos, é espacialmente espalhada, de modo que o elétron tem localizações possíveis em vez de definidas. Mas de alguma forma, estranhamente, quando você coloca um detector na cena e mede a localização do elétron, sua função de onda de repente “entra em colapso” para um ponto, e a partícula clica nessa posição no detector.
Uma partícula é, portanto, uma função de onda colapsada. Mas o que diabos isso significa? Por que a observação causa o colapso de uma função matemática distendida e o aparecimento de uma partícula de concreto? E o que decide o resultado da medição? Quase um século depois, os físicos não têm ideia.
Uma partícula é uma “excitação quântica de um campo”
A imagem logo ficou ainda mais estranha. Na década de 1930, os físicos perceberam que as funções de onda de muitos fótons individuais se comportam coletivamente como uma única onda propagando-se através de campos elétricos e magnéticos conjuntos – exatamente a imagem clássica da luz descoberta no século 19 por James Clerk Maxwell. Esses pesquisadores descobriram que podiam “quantizar” a teoria de campo clássica, restringindo os campos de forma que eles só pudessem oscilar em quantidades discretas conhecidas como “quanta” dos campos. Além dos fótons – os quanta de luz – Paul Dirac e outros descobriram que a ideia poderia ser extrapolada para elétrons e tudo mais: De acordo com a teoria quântica de campos, as partículas são excitações de campos quânticos que preenchem todo o espaço.
Ao postular a existência desses campos mais fundamentais, a teoria quântica de campos despojou as partículas de status, caracterizando-as como meros fragmentos de energia que definem os campos em movimento. No entanto, apesar da bagagem ontológica de campos ontológicos, a teoria quântica de campos se tornou a língua franca da física de partículas porque permite aos pesquisadores calcular com extrema precisão o que acontece quando as partículas interagem – as interações das partículas sendo, no nível básico, a forma como o mundo é formado.
Conforme os físicos descobriam mais sobre as partículas da natureza e seus campos associados, uma perspectiva paralela se desenvolveu. As propriedades dessas partículas e campos pareciam seguir padrões numéricos. Ao estender esses padrões, os físicos foram capazes de prever a existência de mais partículas. “Uma vez que você codifica os padrões que observa na matemática, a matemática é preditiva; diz mais coisas que você pode observar”, explicou Helen Quinn, uma física de partículas emérita na Universidade de Stanford.
Os padrões também sugeriram uma perspectiva mais abstrata e potencialmente mais profunda sobre o que as partículas realmente são.
Uma partícula é um “irredutível Representação de um Grupo’
Mark Van Raamsdonk se lembra do início da primeira aula que ele fez na teoria quântica de campos como um estudante de graduação da Universidade de Princeton. O professor entrou, olhou para os alunos e perguntou: “O que é uma partícula?”
“Uma representação irredutível do grupo de Poincaré”, respondeu um colega precoce.
Tomando a definição aparentemente correta como um conhecimento geral, o professor pulou qualquer explicação e se lançou em uma série inescrutável de palestras. “Durante todo o semestre, não aprendi nada com o curso”, disse Van Raamsdonk, que agora é um respeitado físico teórico da Universidade de British Columbia.
É a resposta padrão profunda de quem sabe: as partículas são “representações” de “grupos de simetria”, que são conjuntos de transformações que podem ser feitas em objetos.
Considere, por exemplo, um triângulo equilátero. Girando-o 120 ou 240 graus, ou refletindo-o ao longo da linha de cada canto até o ponto médio do lado oposto, ou não fazendo nada, tudo deixa o triângulo com a mesma aparência de antes. Essas seis simetrias formam um grupo. O grupo pode ser expresso como um conjunto de matrizes matemáticas – conjuntos de números que, quando multiplicados pelas coordenadas de um triângulo equilátero, retornam as mesmas coordenadas. Esse conjunto de matrizes é uma “representação” do grupo de simetria.
Da mesma forma, elétrons, fótons e outras partículas fundamentais são objetos que permanecem essencialmente os mesmos quando atuados por um determinado grupo. A saber, as partículas são representações do grupo Poincaré: o grupo das 10 formas de se mover no continuum espaço-tempo. Os objetos podem se deslocar em três direções espaciais ou mudar no tempo; eles também podem girar em três direções ou receber um impulso em qualquer uma dessas direções. Em 1939, o físico matemático Eugene Wigner identificou as partículas como os objetos mais simples possíveis que podem ser deslocados, girados e aumentados.
Para um objeto se transformar bem sob essas 10 transformações de Poincaré, ele percebeu, ele deve ter um certo conjunto mínimo de propriedades, e as partículas têm essas propriedades. Um é energia. No fundo, a energia é simplesmente a propriedade que permanece a mesma quando o objeto muda no tempo. Momentum é a propriedade que permanece a mesma conforme o objeto se move no espaço.
Uma terceira propriedade é necessária para especificar como as partículas mudam sob combinações de rotações e impulsos espaciais (que, juntos, são rotações no espaço-tempo). Esta propriedade chave é “spin”. Na época do trabalho de Wigner, os físicos já sabiam que as partículas têm spin, um tipo de momento angular intrínseco que determina muitos aspectos do comportamento das partículas, incluindo se elas agem como matéria (como os elétrons) ou como uma força (como fótons). Wigner mostrou que, no fundo, “o spin é apenas um rótulo que as partículas têm porque o mundo tem rotações”, disse Nima Arkani-Hamed, uma física de partículas do Instituto de Estudos Avançados em Princeton, New Jersey.
Diferentes representações do grupo Poincaré são partículas com diferentes números de rótulos de spin, ou graus de liberdade que são afetados por rotações. Existem, por exemplo, partículas com três graus de liberdade de spin. Essas partículas giram da mesma maneira que objetos 3D familiares. Todas as partículas de matéria, por sua vez, têm dois graus de liberdade de spin, apelidados de “spin-up” e “spin-down”, que giram de forma diferente. Se você girar um elétron 360 graus, seu estado será invertido, assim como uma seta, quando movida em torno de uma faixa de Möbius 2D, volta apontando para o lado oposto.
Partículas elementares com um e cinco rótulos de spin também aparecem na natureza. Parece que falta apenas uma representação do grupo Poincaré com quatro rótulos de spin.
A correspondência entre as partículas elementares e as representações é tão clara que alguns físicos – como o professor de Van Raamsdonk – as igualam. Outros vêem isso como uma fusão. “A representação não é a partícula; a representação é uma maneira de descrever certas propriedades da partícula”, disse Sheldon Glashow, teórico de partículas vencedor do Prêmio Nobel e professor emérito da Universidade de Harvard e da Universidade de Boston. “Não vamos confundir os dois.”
“Partículas têm tantas camadas”
Quer haja uma distinção ou não, a relação entre a física de partículas e a teoria dos grupos tornou-se mais rica e complicada ao longo do século XX. As descobertas mostraram que as partículas elementares não têm apenas o conjunto mínimo de rótulos necessários para navegar no espaço-tempo; eles também têm rótulos extras, um tanto supérfluos.
Partículas com a mesma energia, momentum e spin se comportam de maneira idêntica nas 10 transformações de Poincaré, mas podem diferir de outras maneiras. Por exemplo, eles podem carregar diferentes quantidades de carga elétrica. Como “todo o zoológico de partículas” (como Quinn disse) foi descoberto em meados do século 20, distinções adicionais entre as partículas foram reveladas, necessitando de novos rótulos apelidados de “cor” e “sabor”.
Assim como as partículas são representações do grupo de Poincaré, os teóricos chegaram a compreender que suas propriedades extras refletem maneiras adicionais com que podem ser transformadas. Mas, em vez de mover objetos no espaço-tempo, essas novas transformações são mais abstratas; eles mudam os estados “internos” das partículas, por falta de uma palavra melhor.
Considere a propriedade conhecida como cor: na década de 1960, os físicos verificaram que os quarks, os constituintes elementares dos núcleos atômicos, existem em uma combinação probabilística de três estados possíveis, que apelidaram de “vermelho”, “verde” e “azul”. Esses estados não têm nada a ver com a cor real ou qualquer outra propriedade perceptível. É o número de rótulos que importa: Quarks, com seus três rótulos, são representações de um grupo de transformações chamadas SU (3), consistindo em infinitas maneiras de misturar matematicamente os três rótulos.
Enquanto as partículas com cor são representações do grupo de simetria SU (3), as partículas com as propriedades internas de sabor e carga elétrica são representações dos grupos de simetria SU (2) e U (1), respectivamente. Assim, o modelo padrão da física de partículas – a teoria quântica de campo de todas as partículas elementares conhecidas e suas interações – é frequentemente dito que representa o grupo de simetria SU (3) × SU (2) × U (1), consistindo em todas as combinações de as operações de simetria nos três subgrupos. (Que as partículas também se transformam no grupo de Poincaré é aparentemente óbvio demais para sequer mencionar.)
O modelo padrão reina meio século após seu desenvolvimento. No entanto, é uma descrição incompleta do universo. Crucialmente, está faltando a força da gravidade, que a teoria quântica de campo não pode controlar totalmente. A teoria geral da relatividade de Albert Einstein descreve separadamente a gravidade como curvas no tecido do espaço-tempo. Além disso, a estrutura de três partes SU (3) × SU (2) × U (1) do Modelo Padrão levanta questões. A saber: “De onde diabos veio tudo isso?” como disse Dimitri Nanopoulos. “OK, suponha que funcione”, continuou Nanopoulos, um físico de partículas da Texas A&M University que atuou durante os primeiros dias do Modelo Padrão. “Mas o que é essa coisa? Não pode haver três grupos lá; Quero dizer, ‘Deus’ é melhor do que isso – Deus entre aspas.”
Partículas “podem estar vibrando cordas”
Na década de 1970, Glashow, Nanopoulos e outros tentaram ajustar as simetrias SU (3), SU (2) e U (1) dentro de um único e maior grupo de transformações, a ideia sendo que as partículas eram representações de um único grupo de simetria no início do universo. (À medida que as simetrias se rompiam, surgiam complicações.) O candidato mais natural para essa “grande teoria unificada” era um grupo de simetria chamado SU (5), mas os experimentos logo descartaram essa opção. Outras possibilidades menos atraentes permanecem em jogo.
Os pesquisadores depositaram esperanças ainda maiores na teoria das cordas: a ideia de que, se você ampliasse o suficiente nas partículas, não veria pontos, mas cordas vibratórias unidimensionais. Você também veria seis dimensões espaciais extras, que a teoria das cordas diz estarem enroladas em todos os pontos de nosso tecido espaço-tempo familiar 4D. A geometria das pequenas dimensões determina as propriedades das cordas e, portanto, o mundo macroscópico. Simetrias “internas” de partículas, como as operações SU (3) que transformam a cor dos quarks, obtêm significado físico: essas operações mapeiam, na imagem da corda, em rotações nas pequenas dimensões espaciais, assim como o spin reflete as rotações nas grandes dimensões . “A geometria dá simetria, dá partículas, e tudo isso vai junto”, disse Nanopoulos.
No entanto, se houver strings ou dimensões extras, elas são muito pequenas para serem detectadas experimentalmente. Na sua ausência, outras ideias floresceram. Na última década, duas abordagens em particular atraíram as mentes mais brilhantes da física fundamental contemporânea. Ambas as abordagens atualizam a imagem das partículas mais uma vez.
Uma partícula é uma ‘deformação do oceano Qubit’
O primeiro desses esforços de pesquisa atende pelo slogan “it-from-qubit”, que expressa a hipótese de que tudo no universo – todas as partículas, bem como o tecido espaço-tempo dessas partículas cravadas como mirtilos em um muffin – surge de bits quânticos de informação, ou qubits. Qubits são combinações probabilísticas de dois estados, rotulados 0 e 1. (Qubits podem ser armazenados em sistemas físicos da mesma forma que os bits podem ser armazenados em transistores, mas você pode pensar neles de forma mais abstrata, como a própria informação.) Quando há vários qubits, seus estados possíveis podem se enredar, de modo que o estado de cada um depende dos estados de todos os outros. Por meio dessas contingências, um pequeno número de qubits emaranhados pode codificar uma grande quantidade de informações.
Na concepção it-from-qubit do universo, se você quiser entender o que são as partículas, primeiro você precisa entender o espaço-tempo. Em 2010, Van Raamsdonk, um membro do campo it-from-qubit, escreveu um ensaio influente declarando corajosamente o que vários cálculos sugeriam. Ele argumentou que os qubits emaranhados podem costurar o tecido do espaço-tempo.
Cálculos, experimentos mentais e exemplos de brinquedos que remontam a décadas sugerem que o espaço-tempo tem propriedades “holográficas”: é possível codificar todas as informações sobre uma região do espaço-tempo em graus de liberdade em uma dimensão a menos – muitas vezes na superfície da região. “Nos últimos 10 anos, aprendemos muito mais sobre como essa codificação funciona”, disse Van Raamsdonk.
O que é mais surpreendente e fascinante para os físicos sobre essa relação holográfica é que o espaço-tempo é flexível porque inclui a gravidade. Mas o sistema de dimensão inferior que codifica as informações sobre esse espaço-tempo flexível é um sistema puramente quântico que carece de qualquer senso de curvatura, gravidade ou mesmo geometria. Pode ser pensado como um sistema de qubits emaranhados.
Sob a hipótese it-from-qubit, as propriedades do espaço-tempo – sua robustez, suas simetrias – vêm essencialmente da maneira como 0s e 1s são entrelaçados. A longa busca por uma descrição quântica da gravidade torna-se uma questão de identificar o padrão de emaranhamento qubit que codifica o tipo particular de tecido espaço-tempo encontrado no universo real.
Até agora, os pesquisadores sabem muito mais sobre como tudo isso funciona em universos de brinquedo que têm espaço-tempo em forma de sela curvada negativamente – principalmente porque são relativamente fáceis de trabalhar. Nosso universo, em contraste, é positivamente curvo. Mas os pesquisadores descobriram, para sua surpresa, que sempre que o espaço-tempo curvado negativamente aparece como um holograma, partículas aparecem para o passeio. Ou seja, sempre que um sistema de qubits codifica holograficamente uma região do espaço-tempo, sempre há padrões de emaranhamento de qubit que correspondem a bits localizados de energia flutuando no mundo de dimensão superior.
É importante ressaltar que as operações algébricas nos qubits, quando traduzidas em termos de espaço-tempo, “se comportam como rotações agindo sobre as partículas”, disse Van Raamsdonk. “Você percebe que há esta imagem sendo codificada por este sistema quântico não gravitacional. E de alguma forma nesse código, se você pode decodificá-lo, está dizendo que existem partículas em algum outro espaço.”
O fato de que o espaço-tempo holográfico sempre tem esses estados de partícula é “na verdade uma das coisas mais importantes que distinguem esses sistemas holográficos de outros sistemas quânticos”, disse ele. “Acho que ninguém realmente entende por que os modelos holográficos têm essa propriedade.”
É tentador imaginar qubits com algum tipo de arranjo espacial que cria o universo holográfico, da mesma forma que hologramas familiares se projetam de padrões espaciais. Mas, na verdade, as relações e interdependências dos qubits podem ser muito mais abstratas, sem nenhum arranjo físico real. “Você não precisa falar sobre esses 0s e 1s que vivem em um determinado espaço”, disse Netta Engelhardt, uma física do MIT que recentemente ganhou o Prêmio Novos Horizontes em Física por calcular o conteúdo de informação quântica dos buracos negros. “Você pode falar sobre a existência abstrata de 0s e 1s, e como um operador pode agir em 0s e 1s, e essas são relações matemáticas muito mais abstratas.”
Há claramente mais coisas para entender. Mas se a imagem it-from-qubit estiver certa, então as partículas são hologramas, assim como o espaço-tempo. Sua definição mais verdadeira é em termos de qubits.
“Partículas são o que medimos em detectores”
Outro campo de pesquisadores que se autodenominam “amplologistas” busca devolver o holofote às próprias partículas.
Esses pesquisadores argumentam que a teoria quântica de campos, a atual língua franca da física de partículas, conta uma história muito complicada. Os físicos usam a teoria quântica de campos para calcular fórmulas essenciais chamadas amplitudes de espalhamento, algumas das características calculáveis mais básicas da realidade. Quando as partículas colidem, as amplitudes indicam como as partículas podem se transformar ou se espalhar. As interações de partículas fazem o mundo, então a maneira como os físicos testam sua descrição do mundo é comparar suas fórmulas de amplitude de espalhamento com os resultados de colisões de partículas em experimentos como o Grande Colisor de Hádrons da Europa.
Normalmente, para calcular amplitudes, os físicos sistematicamente contabilizam todas as formas possíveis de ondulações em colisão que podem reverberar através dos campos quânticos que permeiam o universo antes de produzirem partículas estáveis que voam para longe do local do acidente. Estranhamente, cálculos envolvendo centenas de páginas de álgebra costumam produzir, no final, uma fórmula de uma linha. Os amplitudeologistas argumentam que a imagem de campo está obscurecendo padrões matemáticos mais simples. Arkani-Hamed, um líder do esforço, chamou os campos quânticos de “uma ficção conveniente”. “Na física, muitas vezes caímos no erro de reificar um formalismo”, disse ele. “Começamos a escorregar para a linguagem de dizer que são os campos quânticos que são reais e as partículas são excitações. Falamos sobre partículas virtuais, tudo isso – mas não vai clicar, clicar, clicar no detector de ninguém.”
Os amplitudeologistas acreditam que existe uma imagem matematicamente mais simples e verdadeira das interações das partículas.
Em alguns casos, eles estão descobrindo que a perspectiva da teoria de grupo de Wigner sobre as partículas pode ser estendida para descrever as interações também, sem nenhum dos truques usuais dos campos quânticos.
Lance Dixon, um proeminente amplologista do SLAC National Accelerator Laboratory, explicou que os pesquisadores usaram as rotações de Poincaré estudadas por Wigner para deduzir diretamente a “amplitude de três pontos” – uma fórmula que descreve uma partícula se dividindo em duas. Eles também mostraram que as amplitudes de três pontos servem como blocos de construção de amplitudes de quatro e pontos mais altos envolvendo cada vez mais partículas. Essas interações dinâmicas aparentemente se constroem do zero a partir de simetrias básicas.
“A coisa mais legal”, de acordo com Dixon, é que as amplitudes de espalhamento envolvendo grávitons, os supostos portadores da gravidade, acabam sendo o quadrado das amplitudes envolvendo glúons, as partículas que unem os quarks. Nós associamos a gravidade à própria estrutura do espaço-tempo, enquanto os glúons se movem no espaço-tempo. No entanto, grávitons e glúons aparentemente surgem das mesmas simetrias. “Isso é muito estranho e, claro, não é realmente entendido em detalhes quantitativos porque as imagens são muito diferentes”, disse Dixon.
Enquanto isso, Arkani-Hamed e seus colaboradores encontraram aparatos matemáticos inteiramente novos que vão direto para a resposta, como o amplituedro – um objeto geométrico que codifica amplitudes de espalhamento de partículas em seu volume. Foi-se a imagem de partículas colidindo no espaço-tempo e desencadeando reações em cadeia de causa e efeito. “Estamos tentando encontrar esses objetos no mundo platônico de ideias que nos fornecem propriedades [causais] automaticamente”, disse Arkani-Hamed. “Então podemos dizer, ‘Aha, agora posso ver por que esta imagem pode ser interpretada como evolução.'”
It-from-qubit e amplitudeology abordam as grandes questões de forma tão diferente que é difícil dizer se as duas imagens se complementam ou se contradizem. “No final do dia, a gravidade quântica tem alguma estrutura matemática, e todos nós a estamos destruindo”, disse Engelhardt. Ela acrescentou que uma teoria quântica de gravidade e espaço-tempo será necessária para responder à pergunta: “Quais são os blocos de construção fundamentais do universo em suas escalas mais fundamentais?” – uma formulação mais sofisticada da minha pergunta, “O que é uma partícula?”
Nesse ínterim, Engelhardt disse: “‘Não sabemos’ é a resposta mais suscinta.”
Publicado em 14/11/2020 10h09
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