Teorias de Gravitação Quântica
- 3. Modelo padrão O modelo padrão da física de partículas é uma teoria que descreve as forças fundamentais fortes, fracas, e eletromagnéticas, e as partículas fundamentais que constituem toda a matéria. Ela se baseia na idéia de que toda matéria é composta de partículas fundamentais.
- 5. Forças fundamentais Interação Objeto da interação Intensidade relativa Alcance Gravitacional massas 10-38 infinito Nuclear fraca partículas elementares 10-15 10-18 cm Eletromagnética cargas elétricas 10-2 infinito Nuclear forte núcleons 1 10-15 cm
- 6. Gravidade A gravidade é a força de atração mútua que os corpos com massa exercem uns sobre os outros. É descrita pela lei de Newton da gravitação universal. onde: Fg = força gravitacional entre dois objetos m1 = massa do primeiro objeto m2 = massa do segundo objeto r = distância entre os centros de massa dos objetos G = constante universal da gravitação Albert Einstein descreveu-a como conseqüência da estrutura geométrica do espaço-tempo. 2 12 21 r mm GFg =
- 7. A Gravidade é tida como a mais fraca das interações, mas esta é a interação que tem o mais longo alcance. Diferente de outras interações, a gravidade atua universalmente na matéria e na energia. Devido ao seu longo alcance, a gravidade é responsável por fenômenos de grande-escala.
- 9. Eletromagnética O eletromagnetismo é a força que atua entre partículas carregadas. Estas incluem a força eletrostática, que atua entre cargas em repouso, e a força magnética que atua entre cargas em movimento. É uma força de longo alcance relativamente forte, presente em fenômenos diários — que incluem o atrito, a radiodifusão, entre outros.
- 10. Eletromagnetismo é o nome da teoria unificada desenvolvida por James Maxwell para explicar a relação entre a eletricidade e o magnetismo, que se traduz matematicamente em 4 equações, conhecidas como equações de Maxwell.
- 12. Fraca A força nuclear fraca é responsável por alguns fenômenos na escala do núcleo atômico, tais como o decaimento beta da radioatividade. Na teoria eletrofraca, os condutores da força fraca são os bósons massivos chamados de bósons W e Z.
- 13. Forte É a força nuclear forte que mantém os núcleons juntos dentro do núcleo atômico. Um dos principais efeitos desta força é a forte união dos dois prótons, a despeito da sua tremenda repulsão eletromagnética.
- 14. Modelo padrão Desenvolvida entre 1970 e 1973, é uma teoria quântica de campos, consistente com a mecânica quântica e a relatividade especial. Para demonstrar sua importância, quase todos os testes experimentais das três forças descritas pelo modelo padrão concordaram com as suas predições. Entretanto, o modelo padrão não é uma teoria completa das interações fundamentais, porque não descreve a gravidade.
- 15. Ela descreve dois tipos de partículas fundamentais: férmions e bósons. • Os férmions são as partículas que possuem o spin semi-inteiro e obedecem o princípio de exclusão de Pauli, que diz que férmions idênticos, não podem compartilhar do mesmo estado quântico. • Os bósons possuem o spin inteiro e não obedecem o princípio de exclusão de Pauli. Informalmente falando, os férmions são as partículas que constituem a matéria e os bósons são as partículas que
- 16. Os bósons são: • Fótons, que mediam a interação eletromagnética. • Bósons W e Z, que mediam a interação fraca. • Oito espécies dos glúons, que mediam a interação forte. • Os bósons de Higgs, que são responsáveis pela existência da massa (caso eles existam).
- 17. Os férmions são: • Quarks, constituintes básicos dos prótons e nêutrons. • Elétrons, constituem juntos com prótons e nêutrons a matéria. • Neutrinos, não compõe a matéria. (Na Terra chegam ±40 a 60⋅109 neutrinos/cm2 – que a quantidade de neutrinos passando apenas pela unha de seu polegar – possuem informações sobre o universo com 0,1s) • Híperons, píons, kaons, etc.
- 18. Forças e partículas intermediárias
- 20. A base do MP são as partículas fundamentais (elétrons, fótons, quarks) Que são considerados, pontos num espaço- tempo.
- 21. Existem muitas classificações para as partículas Entre elas estão: As partículas pesadas → os bárions (prótons e nêutrons, “sentem” a força forte) As partículas intermediárias → os mésons (méson π, sentem a força forte) As partículas leves → os léptons (elétrons, múons, taus, e seus neutrinos, não “sentem” a força forte) Nós somos feitos com bárions e léptons
- 23. A assimetria entre a matéria e antimatéria é um das questões mais intrigantes do nosso Universo. Grande parte da matéria conhecida no Universo é constituída de bárions, não havendo praticamente nenhum antibárion. É intrigante, pois todos os processos observados experimentalmente até hoje, produzem bárions e antibárions
- 24. Essa assimetria não é prevista pelo MP. Para explicar essa assimetria alguma parte da teoria do MP tem de ser modificada.
- 25. Mas como sabemos que o universo não é simétrico com relação à matéria e antimatéria? Isto pode ser respondido do seguinte modo: Tudo que conhecemos é constituído de bárions, pois caso não fosse teríamos condições de saber. Os raios cósmicos, trazem material de várias partes da Via-Láctea e fora dela, contudo foi observado que a relação de bárions e antibárions é da ordem de 10.000 para 1.
- 26. Assim, é provável que a natureza tenha, de algum modo, favorecido a criação de matéria em detrimento da antimatéria no Big Bang indicando que matéria e antimatéria são tratadas diferentemente. Com isto, é possível que uma pequena fração de matéria, tenha sobrevivido e formado o Universo que conhecemos, o restante sofreu aniquilação matéria- antimatéria, e formou toda a radiação existente.
- 27. Problemas com o modelo padrão: Prevê uma massa para os neutrinos, mas ainda não se conseguiu medí-la. O Bóson de Higgs, ainda não foi encontrado. O modelo contém 19 parâmetros livres, que devem ser determinadas experimentalmente (mais uns outros 10 para massas do neutrino). Estes parâmetros não podem ser calculados independentemente.
- 28. Problemas com o modelo padrão: Não prevê corretamente a existência da assimetria entre matéria e antimatéria. Não engloba a gravitação. Isso faz com que surgam teorias alternativas…
- 30. No eletromagnetismo Se r12 → 0 Fe → ∞ Quando aplicamos essa lei às partículas, o problema do infinito é eliminado pelos efeitos quânticos. 2 12 21 04 1 r qq Fe πε =
- 31. Na gravitação Se r12 → 0 Fg → ∞ Na gravitação, quando aplicamos essa lei, o infinito não é eliminado pelos efeitos quânticos, isto implica que a gravitação, não pode ser quantizada. 2 12 21 r mm GFg =
- 32. Cordas de um violão Vários modos de vibração Várias freqüências diferentes
- 34. Em uma superfície podemos ter mais modos de vibração
- 36. Teoria da supercordas Cada modo de vibração implica em um partícula diferente (uma freqüência diferente)
- 37. Para descrever as partículas elementares, são necessárias 11 dimensões espaciais. Essas dimensões espaciais extras, não seriam visíveis,por serem muito pequenas, estariam compactadas em formas geométricas, chamadas: Superfície de Calibi- Yau
- 38. Para que essa teoria possa incluir a gravitação, é necessário uma simetria especial chamada, supersimetria, e daí vem o nome de supercordas.
- 39. Essa teoria prevê várias partículas chamadas exóticas, e para descobrí-las, é que se constroem os grandes aceleradores de partículas.
- 40. Tipos de teorias de supercordas: Teoria Tipo I Teoria Tipo IIA Teoria Tipo IIB Teoria Heterótica tipo O Teoria Heterótica tipo E Supergravidade a 11D
- 41. Teoria MTeoria M
- 42. Teoria M É a teoria que tenta unir todas essas, em uma única teoria.
- 43. Teoria M Esse nome tem uma origem não muito esclarecida, pode significar: Mãe Matriz Membrana Mistério Mágica M M M M M M M M M M m MM M M M M M Mµ m m
- 44. Cosmologias que exploram essas dimensões extras são chamadas “cosmologias das branas”.
- 45. Nosso espaço-tempo seria uma membrana (brana) dentro de um espaço-tempo maior. Entre as diversas branas a única força (energia) transmitida seria a gravitacional.
- 46. Contudo, a força gravitacional penetraria pouco nas dimensões extras, por isso, essas dimensões extras, não são visíveis.
- 47. Forças conhecidas Fraca Forte Eletromagnétic a Branas com pontas ⇓ Gravitacional ⇒ Branas fechadas
- 48. Big Bang num Universo de Branas
- 50. Gravidade Quântica É o campo da física teórica que busca unificar a teoria da física quântica, (que descreve três das forças fundamentais, com a relatividade geral), e a teoria da quarta força fundamental, a gravidade. O desafio final de alguns é um arcabouço unificado de todas as forças fundamentais uma teoria do tudo.
- 51. Muito da dificuldade em se fundir estas teorias origina-se das hipóteses radicalmente diferentes que elas utilizam para explicar como nosso universo funciona. Enquanto a teoria de campo quântico baseia- se em campo de partículas embutidas no espaço-tempo da relatividade restrita.
- 52. A relatividade geral prevê a gravidade como uma curvatura no espaço-tempo que afeta o movimento das massas, isto é, a relatividade não fornece uma base espaço- temporal fixa para as partículas da FQ. O caminho mais óbvio para combinar estas duas teorias, é tratar a gravidade como outro campo de partícula, mas isto conduz à problemas.
- 53. A incompatibilidade entre mecânica quântica e relatividade geral Harmonizar a teoria da relatividade geral, que descreve a gravitação e suas aplicações em estruturas de grande-escala (estrelas, planetas e galáxias) com a mecânica quântica, que descreve as outras três forças fundamentais atuando em escala microscópica é, atualmente, um dos maiores problemas da física teórica.
- 54. Uma lição fundamental da relatividade geral é que não existe um referencial preferencial para o espaço-tempo, como na mecânica Newtoniana e na relatividade restrita, ou seja, a geometria do espaço-tempo é dinâmica.
- 55. Apesar da fácil aceitação em princípio, esta idéia é de difícil compreensão no que tange à relatividade geral, e suas conseqüências são profundas, mas não totalmente exploradas, mesmo ao nível clássico. Em um certo sentido, a relatividade geral pode ser vista como uma teoria relacional, na qual a única informação física relevante é a relação entre diferentes eventos no espaço-tempo.
- 56. Por outro lado, a mecânica quântica possui uma dependência, desde sua concepção, com uma estrutura (não-dinâmica) de fundo. No caso da mecânica quântica, o tempo é dinâmico e não determinado, como na mecânica clássica newtoniana.
- 57. Há três outros pontos de tensão entre a mecânica quântica e a relatividade geral. Primeiro: A RG prediz densidades infinitas nas singularidades, e a FQ se tornaria inconsistente nas vizinhanças dessas singularidades.
- 58. Segundo: Não está claro como determinar o campo gravitacional de uma partícula se, devido ao princípio da incerteza de Heisenberg, a localização e velocidade não podem ser conhecidas com precisão absoluta.
- 59. Terceiro: Há uma contradição lógica, entre a violação da desigualdade de Bell na FQ, a qual indica uma influência superluminal, e a velocidade da luz como uma velocidade limite na relatividade. Tudo isso faz surgirem teorias alternativas...
- 61. Esta teoria é uma teoria quântica do espaço-tempo. Aqui o espaço e o tempo são quantizados. (“cenon” e “cronon”) A geometria do espaço-tempo não seria fixa.
- 62. O quantum de espaço está atrelado ao comprimento de Planck. l = 10−33 cm A = 10−66 cm2 V = 10−99 cm3 Em 1 cm3 existem 1099 “cenons”. Existem mais “cenons” em 1 cm3 , que cm3 no universo visível (1085 cm3 ). Redes de spin relacionam os quanta de espaço- tempo, que descrevem uma partícula ou todo o universo.
- 64. Uma teoria desenvolvida por: Michael Green, John Schwarz e Abdus Salam, a partir da teoria dos grupos, usando a combinação de duas simetrias, esta teoria gera dois mundos, o original e sua sombra.
- 65. Não é possível observar o conteúdo do universo sombra. A interação entre eles seria apenas gravitacional, porque é a matéria, que gera a geometria do espaço-tempo de ambos universos. Matematicamente o universo sombra determinaria, como as partículas elementares iriam adquirir massa.
- 66. No universo sombra haveriam partículas, fótons forças e leis, mas, isso tudo seria invisível ao universo original. O universo sombra não transmite nem recebe ondas eletromagnéticas, para ou do universo original, nem as partículas podem colidir com as partículas deste.
- 67. A matéria sombra poderia apenas: ou atrair ou repelir a matéria do universo original. Se atraísse agiria como matéria escura. Se repelisse agiria como energia escura.
- 68. Cada ponto do universo original possuiria um homólogo no universo sombra. As leis de ambos universos são inversas, se a lei de Newton em um universo é atrativa no outro é repulsiva, se um universo acelera o outro desacelera, e as flechas do tempo também são inversas. O universo sombra seria negentrópico.
- 69. Os Buracos Negros poderiam ser a passagem entre estes universos.
- 73. Uma teoria daUma teoria da evoluçãoevolução (tipo Darwiniana)(tipo Darwiniana) para o universopara o universo
- 74. Teoria desenvolvida no livro A vida do Cosmo de Lee Smolim, contudo não é dele a idéia original. A teoria diz que existe uma seleção cosmológica natural. Universos privilegiados seriam aqueles que produziriam mais BNs, porque estes seriam o final das estrelas, que produzem os elementos químicos e conseqüentemente, vida.
- 75. Quando a matéria atingisse a densidade de aproximadamente, 1097 kg/m3 , o universo “explodiria” em outra dimensão. Haveriam tantos universos “filhos”, quantos BNs no nosso universo.
- 76. Esses universos seriam gerados, porque o tempo não para na singularidade, este continuaria além dela e se ramificaria como árvore, e cada BN seria um broto, que conduz a um novo universo.
- 77. Quando um BN se forma, torna-se a semente para um outro universo, mas as leis físicas mudam um pouco, este novo universo só se reproduzirá, se as leis forem, tais que, possam gerar mais BNs. Caso contrário eles não gerará “filhos”.
- 78. As explosões das supernovas, que consequentemente vão gerar BNs, estão ligadas às constantes fundamentais, e portanto, o sistema funcionaria como uma teoria Darwiniana do cosmo.
- 79. Fim