Teoria de tudo

Houve numerosas teorias de tudo propostas por físicos teóricos no século passado, mas até agora nenhuma tem sido capaz de apresentar uma prova experimental, tem havido tremendas dificuldades para que suas teorias tenham resultados experimentais estáveis. Albert Einstein tentou desenvolver uma teoria de tudo. No seu tempo se acreditava que a única tarefa seria unificar a relatividade geral e o eletromagnetismo. O primeiro problema em produzir uma teoria de tudo é que as teorias aceitas, como a mecânica quântica e a relatividade geral, são radicalmente diferentes nas descrições do universo: as formas possíveis de combiná-las conduzem rapidamente à "renormalização" do problema, onde a teoria não nos dá resultados finitos para dados quantitativos experimentais. As teorias pretendentes a serem teorias de unificação têm grande importância em cosmologia, especialmente na descrição dos fenômenos mais primordiais da evolução do universo, em especial nos primeiros instantes posteriores ao Big Bang, como os que determinam o decaimento dos prótons. Atualmente um dos obstáculos existente é o gráviton, que embora tenha a sua existência sido prevista teoricamente ainda não foi confirmado experimentalmente.

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O conceito de uma teoria de tudo é arraigada em uma velha ideia de causalidade, famosa expressão de Laplace: Um intelecto que em um certo momento pudesse conhecer todas as forças que estabelecem a natureza em movimento, e todas as posições de todos os temas que essa natureza compõe, se esse intelecto fosse também tão suficiente para apresentar esses dados em uma análise, que pudesse unir em uma simples fórmula os movimentos dos grandes corpos do universo e o muito pequeno do átomo; para esse tipo de intelecto nada será incerto e o futuro como o passado seria o presente para esses olhos Ainda que isto possa ser citado como determinista, em uma "simples fórmula" pode todavia existir se a física é fundamentalmente probabilística, como diz a moderna mecânica quântica. Desde os tempos dos antigos gregos, os filósofos pré-socráticos e seus posteriores têm especulado que a aparente diversidade de aparências que oculta uma subjacente unidade, e portanto que a lista das forças pode ser minimizada, de modo que possa ter uma só essência. Por exemplo, a filosofia mecânica do século XVII propôs que todas as forças poderiam por último reduzir-se a uma força de contato entre pequenas partículas sólidas. Isto foi abandonado depois da aceitação das forças gravitacionais a grande distância propostas por Isaac Newton; mas ao mesmo tempo o trabalho de Newton em seu Principia proveu a primeira dramática evidência empírica da unificação de forças que nesse momento pareciam diferentes: o trabalho de Galileo na gravitação terrestre, as leis de Kepler do movimento planetário e os fenômenos de marés foram todas quantitativamente explicadas por uma simples lei, chamada de a gravitação universal. Em 1820, Hans Christian Oersted descobriu uma conexão entre a eletricidade e o magnetismo, muitas décadas de trabalho culminaram na teoria do electromagnetismo de James Clerk Maxwell. Também durante os séculos XIX e XX, gradualmente apareceram muitos exemplos de forças de contato, elasticidade, viscosidade, fricção, pressão- resultados das interações elétricas entre pequeníssimas partículas da matéria. Ao final de 1920, a nova mecânica quântica mostrou que as interações químicas se tratavam de forças elétricas (quânticas), justificando o que Dirac havia dito sobre que as leis físicas necessárias para a teoria matemática de uma grande parte dos físicos e químicos eram então completamente conhecidos.

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Na corrente principal da física atual, a Teoria de Tudo poderia unificar todas as interações fundamentais da natureza, que são consideradas como quatro: gravitação, a força nuclear forte, a força nuclear fraca e a eletromagnética. Porque a força forte pode transformar partículas elementares de uma classe a outra, a teoria de tudo deveria produzir uma profunda compreensão de vários diferentes tipos de partículas como de diferentes forças. O padrão previsível das teorias é o seguinte: Adicionalmente às forças listadas aqui, a moderna cosmologia requer uma força inflacionária, energia escura, e também matéria escura composta de partículas fundamentais fora da cena do modelo padrão. A unificação eletrofraca é uma "simetria quebrada": o eletromagnetismo e a força fraca parecem distinguir-se a baixas energias porque as partículas portam forças fracas, os bósons W e Z têm a massa de aproximadamente de 100 G e V / c 2 {\displaystyle GeV/c^{2}} , enquanto que o fóton, que portam a força eletromagnética, não têm massa. A altas energias os bósons W e Z podem criar massa facilmente e a natureza unificada das forças aparece. A grande unificação se espera que trabalhe em um caminho similar, mas as energias na ordem de 10 16 {\displaystyle 10^{16}} GeV ou muito maiores não podem ser obtidas por nenhum acelerador de partículas na terra. Por analogia, a unificação das forças GUT com a gravidade se espera que seja a uma energia de Planck, em torno de 10 19 {\displaystyle 10^{19}} GeV.

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Um pequeno número de cientistas afirma que o Teorema da incompletude de Gödel prova que qualquer tentativa de construir uma teoria de tudo está destinada ao fracasso. O teorema de Gödel diz que qualquer teoria matemática não trivial é inconsistente ou incompleta. Stanley Jaki assinalou em seu livro de 1966 "A Relevância da Física" que qualquer teoria de tudo deverá ser uma teoria matemática consistentemente não trivial, com o que deve ser incompleta. Ele afirma que condena a uma teoria determinista do tudo. Freeman Dyson tinha estabelecido que: Muitos têm interpretado esta citação para apoiar a posição de Jaki. Stephen Hawking foi originariamente crente em uma teoria de tudo mas depois de considerar o teorema de Gödel, concluiu que esta não poderia ser obtida. Esta visão tem sido contra-argumentada por Solomon Feferman, assim como por outros. Muitos cientistas e matemáticos creem que o teorema de Gödel é completamente irrelevante quando se discute uma teoria de tudo. O teorema de Gödel é uma declaração sobre que teoremas eventualmente resultariam sistemas matemáticos, em que "eventualmente" significa depois de um tempo arbitrário. O teorema de Godel não impede que um matemático compute o que ocorre depois de qualquer quantidade de tempo, ou não previne a uma pessoa que conheça as regras para fazer os cálculos. Tudo o que o teorema de Gödel diz é que, inclusive conhecendo todas as regras, seria impossível predizer que novos padrões produzirão eventualmente as regras.

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Nenhuma teoria física no momento se acredita como sendo precisamente exata. Em lugar disso, a física tem procedido por séries de "aproximações sucessivas" permitindo mais e mais precisas previsões sobre uma ampla gama de fenômenos. Muitos físicos creem que existam muitos erros nos confusos modelos teóricos com a natureza mais íntima da realidade e sustentam que a série de aproximações nunca terminará na "verdade". Mesmo Einstein expressou sua visão em ocasiões. Em seu ponto de vista, podemos razoavelmente esperar por "uma" teoria de tudo onde consistente - em si mesma - incorpore todas as forças conhecidas atualmente, mas não devemos esperar ter a resposta final. Por outro lado, estava aberto a opinar que apesar da aparente complexidade matemática em cada teoria, em um sentido profundo associado com sua subjacente simetria gaugiana e ao número de constantes físicas universais, as teorias se simplificaram. Se isso ocorre, o processo de simplificação não pode continuar indefinidamente.