Teorias de gravitacao quantica

1. Teorias de
Gravitação
Quântica

2. ModeloModelo
PadrãoPadrão

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.

4. Forças 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.

8. ijij T
c
πG
G 4
8
=

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

22. AssimetriaAssimetria
matériamatéria
antimatériaantimatéria

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…

29. SupercordasSupercordas

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 Mµ 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

49. GravidadeGravidade
QuânticaQuântica

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...

60. GravidadeGravidade
QuânticaQuântica
com laçoscom laços

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.

63. UniversoUniverso
SombraSombra

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.

70. MultiversoMultiverso

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