A capella science

Um estudante de mestrado em teoria de cordas produziu um vídeo musical envolvendo os termos técnicos utilizados em teoria de cordas. E o fez de maneira inteligente e cientificamente correta. Vale a pena dar uma olhada mesmo se você não você não tem familiaridade com a linguagem das cordas.

Cordas e LHC na Folha

Ontem foi publicado um artigo sobre cordas no Caderno Mais da Folha: No Fim do Tunel (é necessário ser assinante). Este é o artigo sério sobre cordas que havia mencionado anteriormente. Nele, o autor, Rafael Garcia, comenta um artigo de Jacques Distler que pretende testar a teoria de cordas no LHC.

O trabalho de Distler consiste em estudar o efeito da adição de operadores de dimensão mais alta na teoria eletrofraca junto com a condição de que propriedades essenciais como invariância de Lorentz, analiticidade, unitariedade e simetria de cruzamento (crossing) sejam mantidas em distâncias muito pequenas. Em outras palavras, ele estuda extensões da teoria eletrofraca que mantém propriedades fundamentais de qualquer teoria quântica de campos. Essa é uma idéia antiga e bastante utilizada para analisar extensões de qualquer modelo. A novidade de Distler e colaboradores é que eles aplicam essa maquinaria para estudar a produção dos bósons W que serão eventualmente produzidos no LHC. As propriedades mencionadas acima impõem limites sobre determinados parâmetros que caracterizam a produção dos W' s e violações desses limites indicariam que tais propriedades não estariam presentes na teoria. Portanto, o que está sendo testadado, são propriedades da teoria quântica de campos e não da teoria de cordas. Por outro lado, como a teoria de cordas também assume simetria de Lorentz, analiticidade, unitariedade e crossing, a violação de qualquer uma delas seria um problema muito sério para as cordas. Entretanto, ninguém espera que essas propriedades sejam violadas.

O título da primeira versão do trabalho de Distler foi modificado. Ele fazia menção à teoria de cordas. O árbitro do trabalho deve ter notado que o que está se testanto diretamente é a teoria quântica de campos e não a teoria de cordas. A versão publicada no Physical Review Letters
menciona modelos de física nova e não mais a teoria de cordas. Corretíssimo!

A Evaporação dos Buracos Negros e a Radiação de Hawking

Recebi um e-mail pedindo explicações sobre o assunto acima e aí vai a resposta.

Quando uma estrela é formada seu futuro é determinado, entre outras coisas, pela sua massa. Estrelas com massa superior a algo entre três e cinco massas solares transformam-se num buraco negro. A força gravitacional do buraco negro é tão intensa que a luz por ele produzido não consegue escapar. Daí seu nome. Mais ainda. Qualquer forma de matéria ou radiação que estiver próximo do buraco negro será atraída para seu interior. Como nem a luz consegue sair do buraco negro, qualquer coisa que cair em seu interior ficará eternamente presa. Por isso o seu interior é completamente inacessível. Não é possível, por exemplo, enviar um raio de luz para o buraco negro a fim de enxergarmos o que está acontecendo lá dentro. Esse raio de luz jamais voltaria do buraco negro.

Essa é a imagem que temos do buraco negro de acordo com a relatividade geral. Na década de 70, entretanto, Hawking mostrou que ele não é tão negro assim graças à mecânica quântica. Num campo de força muito intenso, como aquele criado pelo campo gravitacional de um buraco negro, é possível a criação de pares de partícula e antipartícula. Se um dos elementos do par cair no buraco negro o outro será lançado em direção oposta pela conservação do momento. Isto dará origem a uma radiação de partículas que parece emanar do próprio buraco negro. Essa é a famosa radiação de Hawking. Portanto, o buraco negro pode emitir radiação e não será completamente invisível graças à esse mecanismo.

Ocorre que a energia também deve ser conservada. Como a partícula emitida tem energia positiva, o seu par, que caiu no buraco negro, tem que ter energia negativa. A existência de partículas com energia negativa, durante um intervalo de tempo muito pequeno, é permitido pelas relações de incerteza da mecânica quântica. Como conseqüência, além de emitir radiação, a massa do buraco negro também vai diminuindo. Lembre-se que a relatividade restrita não faz distinção entre massa e energia, por isso absorver uma partícula de energia negativa diminuiu a massa do buraco negro. Outra maneira de compreender a perda de massa é lembrar que ele está emitindo partículas. Esse processo de perda de massa continua até não restar mais nada do buraco negro. Ele parece ter-se evaporado completamente, emitindo radiação e não deixando nada atrás de si.

A radiação emitida pelo buraco negro é de um tipo especial chamada radiação térmica. Tal tipo de radiação transporta apenas informações genéricas sobre o buraco negro, como sua massa, carga e momento angular. Se, por exemplo, um par de partículas correlacionadas cair no buraco negro, a radiação de Hawking só revelará a massa dessas partículas e a informação sobre sua correlação estará irremediavelmente perdida depois do processo de evaporação. Isso vale para qualquer coisa que caia no buraco negro. Informação é perdida à medida que o buraco negro evapora-se e não é possível recuperá-la. Porém, a mecânica quântica não permite a existência de tais processos onde há perda de informação. Isso violaria um dos preceitos básicos da teoria: a evolução unitária. Este é o paradoxo da informação do buraco negro. É um conflito entre a relatividade geral e a mecânica quântica.

Muitas propostas foram feitas para resolver o paradoxo da informação. Deve-se ou mudar a mecânica quântica ou mudar a relatividade geral, ou ambas. O sentimento geral entre os pesquisadores de teoria de cordas é que a radiação de Hawking não é perfeitamente térmica, de maneira que a informação nunca é perdida. Em 1997, Hawking, que acreditava que informação pudesse ser destruída pelo buraco negro, fez uma aposta com John Preskill e Kip Thorne, que defendiam a tese de que não havia perda de informação. Em 2004, Hawking reconheceu sua derrota, admitindo que não há perda de informação. Para isso, ele utilizou argumentos da correspondência AdS/CFT, um ramo muito estudado da teoria de cordas. Ele afirma que um buraco negro num espaço de anti-De Sitter é dual a uma teoria de campos conforme que apresenta uma evolução unitária. Portanto, a informação é preservada. Ele ainda não apresentou sua argumentação de forma detalhada de maneira que não é possível analisar sua proposta com profundidade. Hawking pagou sua aposta com uma enciclopédia de baseball, afirmando que deveria ter queimado a enciclopédia e entregue apenas as cinzas, já que seria possível recuperar toda informação à partir delas e da radiação emitida durante a queima.

O problema da informação está discutido no capítulo 4 do livro O Universo Numa Casca de Noz do próprio Hawking.

Teoria de Cordas na Época

Na revista Época desta semana há um artigo com o título "Nem errado é...". Infelizmente o acesso pela internet é apenas para assinantes da revista.

O título é uma tradução literal do nome do blog e do livro de Peter Woit, "Not Even Wrong". De fato, a tradução mais apropriada deveria ser "Sequer Está Errado!" e este fato já antecipa o que vai ser encontrado no texto do artigo. Coisas como "físicos respeitados consideram que a Teoria das Cordas não passa de uma grande bobagem" formam a chamada para o artigo.

Apesar reporter Luciana Vicária ter conversado comigo, pedindo vários esclarecimentos, o texto final enfatiza demais as críticas de Woit e de Lee Smolin, que estão contidas nos livros dos dois. Tentei dizer a ela que eles não representam a opinião da grande maioria dos físicos mas parece que não tive sucesso. Aparentemente ela conversou com Brian Greene, o autor do "Universo Elegante", mas seus argumentos receberam pouco espaço no texto, apesar de haver dois boxes do mesmo tamanho, um para o Brian e outro para o Peter. Dois grandes lapsos podem ser facilmente detectados. O primeiro é a afirmação de que a teoria de cordas produz 10.500 versões diferentes do nosso universo. Na verdade o número é muito maior: 10⁵⁰⁰ e não 10.500. O segundo é a afirmação de que ela coletou informações no blog do Witten. Ele não possui blog.

Esta semana deverá aparecer um artigo na Folha comentando o trabalho de Jacques Distler de como detectar sinais da teoria de cordas no LHC. Aguardem! Esse artigo é muito melhor.