Garret Lisi sobre sua teoria do todo

Nossa, cara! Olha estas equações iradas! Animal! Na verdade, pelos próximos 18 minutos vou fazer o melhor que posso para descrever a beleza da física de partículas sem nenhuma equação. Acontece que existe muito que podemos aprender em um coral. O coral é um animal muito bonito e excêntrico. Cada cabeça de coral consiste de milhares de pólipos individuais. Estes pólipos estão continuamente brotando e multiplicando em vizinhos geneticamente idênticos. Se imaginarmos isto como um coral hiper-inteligente, podemos isolar um indivíduo e perguntar a ele uma questão racional. Podemos perguntar como exatamente ele calhou estar naquele lugar em particular em relação a seus vizinhos -- -- se foi acaso, ou destino, ou o quê?

Agora, depois de nos xingar por aumentar a temperatura, ele nos diria que nossa questão é completamente estúpida. Estes corais podem ser bem grosseiros, como vemos, e eu tenho cicatrizes de surfe para provar. Mas este pólipo continuaria e nos diria que seus vizinhos eram claramente cópias idênticas dele. Que ele estava em todos esses outros lugares também, mas experimentando-os como indivíduos separados. Para um coral, multiplicar-se em cópias diferentes é a coisa mais natural do mundo.

Diferente de nós, um coral hiper-inteligente estaria extremamente preparado para entender a mecânica quântica. A matemática da mecânica quântica descreve muito precisamente como nosso universo funciona. E ela nos diz que nossa realidade está continuamente multiplicando em diferentes possibilidades, exatamente como um coral. É algo esquisito para a mente humana entender, já que nós só temos oportunidade de experimentar uma possibilidade. Essa esquisitice quântica foi descrita pela primeira vez por Erwin Schrödinger e seu gato. O gato gosta mais desta versão. (Risos) Neste experimento, Schrödinger está em uma caixa com uma amostra radioativa que, pelas leis da mecânica quântica, deriva para um estado em que está irradiando e um estado em que não está. (Risos) No estado em que a amostra irradia, ele dispara um gatilho que libera veneno e Schrödinger está morto. Mas na outra versão da realidade, ele permanece vivo. Estas realidades são experimentadas separadamente por cada indivíduo. Tanto quanto cada um percebe, o outro não existe.

Isto parece estranho para nós, porque cada um de nós experimenta apenas uma existência individual, e nós não temos a chance de ver as outras. É como se cada um de nós, como Schrödinger aqui, somos como um coral multiplicando em diferentes possibilidades. A matemática da mecânica quântica nos diz que é assim que o mundo funciona em escalas minúsculas. pode ser sumarizado em uma única sentença: Tudo que pode acontecer, acontece. Isto é a mecânica quântica. Mas isto não significa que tudo acontece. O resto da física envolve descrever o que pode acontecer e o que não pode. O que a física nos diz é que tudo depende da geometria e das interações das partículas elementares. E coisas podem acontecer apenas se estas interações estão em perfeito equilíbrio.

Agora eu vou avançar e descrever o que nós sabemos sobre estas partículas, o que elas são e como este equilíbrio funciona. Nesta máquina, um feixe de prótons e anti-prótons são acelerados para quase a velocidade da luz e unidos em uma colisão, produzindo um pulso de energia pura. Esta energia é imediatamente convertida em uma chuva de partículas semi-atômicas, com detectores e computadores usados para analisar suas propriedades. Esta enorme máquina, o Large Hadron Collider, no CERN, em Genebra, tem uma circunferência de 17 milhas (27 Km) e, quando em operação, consome cinco vezes a energia consumida pela cidade de Monterey. Podemos prever especificamente que partículas serão produzidas em qualquer colisão individual. A mecânica quântica nos diz que todas as possibilidades são realizadas. Mas a física nos diz que partículas podem ser produzidas. Estas partículas devem ter exatamente a mesma massa e energia que está contida no próton e no anti-próton. Quaisquer partículas com mais que este limite de energia não são produzidas, e permanecem invisíveis para nós. Isto é porquê este novo acelerador de partículas é empolgante. Ele vai elevar o limite desta energia sete vezes além do que já foi obtido antes, então conseguiremos ver novas partículas em breve.

Mas antes de falar sobre o que poderemos ver deixem-me descrever as partículas que nós já conhecemos. Existe um zoológico de partículas subatômicas. Muitos de nós conhecemos os elétrons. Muitas das pessoas desta sala ganham a vida mexendo com eles. (Risos) Mas o eléctron tem também um parceiro neutro chamado neutrino, sem carga elétrica e uma massa muito pequena. Em contraste, os quarks up e down têm massas muito grandes, e combinam em trios para resultar em prótons e nêutrons dentro dos átomos. Todas estas partículas de matéria existem em variedades esquerda e direita, e têm correspondentes anti-partículas com cargas opostas. Estas partículas familiares têm também as menos familiares segunda e terceira gerações, que têm as mesmas cargas da primeira mas massas muito maiores. Estas partículas de matéria todas interagem com as várias partículas de força. A força eletromagnética interage com a matéria eletricamente carregada através de partículas chamadas fótons. Existe também uma força muito fraca chamada, sem muita criatividade, de força fraca, que interage só com a matéria na versão esquerda. A força forte age entre quarks que possuem um outro tipo de carga, chamada carga de cor, e vem em três variedades diferentes: vermelho, verde e azul. Vocês podem culpar Murray Gell-Mann por estes nomes -- a culpa é dele. Finalmente, existe a força da gravidade, que interage com a matéria através da sua massa e spin.

A coisa mais importante para entender aqui é que existe um tipo diferente de carga associado com cada uma destas forças. Estas quatro forças diferentes interagem com a matéria de acordo com as cargas correspondentes que cada partícula tem. Uma partícula que não foi vista ainda, mas que temos razoável certeza de que existe é a partícula de Higgs, que dá massa a todas estas outras partículas. O principal propósito do Large Hadron Collider é ver esta partícula Higgs, e estamos quase certos de que veremos. Mas o maior mistério é o que mais poderemos ver. E eu vou mostrar a vocês uma linda possibilidade até o final desta palestra.

Agora, se contarmos todas estas partículas diferentes usando seus vários spins e cargas, existem 226. É um monte de partículas para acompanhar. E parece estranho que a natureza teria tantas partículas elementares. Mas se as desenharmos de acordo com suas cargas, alguns belos padrões emergem. A carga mais familiar é a carga elétrica. Elétrons têm uma carga elétrica, que é negativa, e quarks têm cargas elétricas em terços. Então se dois quarks up e um down são combinados para formar um próton, ele terá uma carga elétrica total positiva de um. As partículas têm também anti-partículas que têm cargas opostas. Acontece que as cargas elétricas na verdade têm uma combinação de duas outras cargas: hipercarga e carga fraca. Se espalharmos a hipercarga e a carga fraca e desenharmos as cargas das partículas neste espaço bidimensional de cargas, a carga elétrica é onde estas partículas ficam ao longo do eixo vertical. As forças eletromagnética e nuclear fraca interagem com a matéria de acordo com sua hipercarga e carga fraca, que formam este padrão. Isto é chamado o Modelo Eletrofraco Universal, e ele foi concebido em 1967.

A razão porque muitos de nós conhecemos apenas a carga elétrica e não ambas estas é por causa da partícula Higgs. A Higgs, aqui à esquerda, tem uma massa grande e quebra a simetria deste padrão eletrofraco. Ela faz com que a força fraca seja muito fraca ao dar a partículas fracas uma massa grande. Uma vez que esta Higgs pesada fica ao longo do eixo horizontal neste diagrama, os fótons do eletromagnetismo permanecem sem massa e interagem com cargas elétricas ao longo do eixo vertical neste espaço de cargas. Portanto as forças eletromagnética e fraca são descritas por este padrão de cargas de partículas no espaço bidimensional. Podemos incluir a força nuclear forte ao separar estes dois eixos de cargas e plotar as cargas das partículas de força em quarks ao longo destes eixos. As cargas de todas as partículas conhecidas podem ser plotadas em um espaço de cargas tetradimensional, e projetadas em duas dimensões como este para que possamos visualizar.

Sempre que as partículas interagem, a natureza mantém as coisas em perfeito equilíbrio ao longo de todos estes quatro eixos de cargas. Se uma partícula e uma anti-partícula colidem, elas criam um pulso de energia e uma carga total de zero em todos os quatro eixos de cargas. Neste ponto, qualquer coisa pode ser criada desde que tenha a mesma energia e mantenha uma carga total zero. Por exemplo, esta partícula de força fraca e sua anti-partícula podem ser criadas em uma colisão. em interações subsequentes, as cargas devem sempre equilibrar. Uma das partículas fracas pode decair para um elétron e um anti-neutrino, e estes três ainda têm soma zero de carga total. A natureza sempre mantém um equilíbrio perfeito. Assim, estes padrões de cargas não apenas são belos. Eles nos dizem que interações podem acontecer. E podemos rotacionar este espaço de cargas em quatro dimensões para ter uma visão melhor da interação forte, que tem esta bela simetria hexagonal. Em uma interação forte, a partícula de força forte, como esta, interage com o quark colorido, como este verde, para produzir um quark com outra carga de cor -- este vermelho. E as interações fortes estão acontecendo milhões de vezes cada segundo em cada átomo dos nossos corpos, mantendo os núcleos atômicos íntegros.

Mas estas quatro cargas correspondentes a três forças não são o fim da história. Podemos também incluir duas outras cargas correspondentes à força gravitacional. Quando as incluimos, cada partícula de matéria tem duas diferentes cargas de spin, spin-up e spin-down. Então todas elas dividem, e geram um belo padrão em um espaço de cargas hexadimensional. Podemos rotacionar este padrão em seis dimensões, e ver que ele é bem bonito. Neste instante, este padrão coincide com nosso melhor conhecimento atual de como a natureza é construída nas escalas minúsculas destas partículas elementares. Isto é o que sabemos com certeza. Algumas destas partículas estão no limite absoluto do que podemos alcançar com experimentos. Deste padrão, já conhecemos a física de partículas destas minúsculas escalas. A forma como o universo funciona com estas minúsculas escalas é muito bonita.

Mas agora eu vou discutir algumas novas e velhas idéias sobre coisas que não sabemos ainda. Queremos expandir este padrão usando matemática pura, e ver se podemos pôr as mãos na coisa inteira. Queremos descobrir todas as partículas e forças que resultam em uma visão completa do nosso universo. E queremos usar esta visão para prever novas partículas que vamos ver quando os experimentos alcançarem energias mais altas.

Existe uma velha idéia na física de partículas de que este padrão conhecido de cargas, que não é muito simétrico, pode emergir de um padrão mais perfeito que ficou defeituoso, similar a como a partícula Higgs quebra o padrão eletrofraco para resultar em eletromagnetismo. Com este objetivo, precisamos introduzir novas forças com novos eixos de cargas. Quando acrescentamos um novo eixo, temos de adivinhar que cargas as partículas têm ao longo desse eixo, e então podemos rotacionar em torno dele com os outros. Se adivinharmos sabiamente, podemos imaginar as cargas padrão em seis dimensões de cargas como uma simetria defeituosa deste padrão mais perfeito em sete dimensões de carga.

Esta escolha particular corresponde à grande teoria unificada introduzida por Pati e Salam em 1973. Quando olhamos este novo padrão unificado, podemos ver algumas lacunas onde partículas parecem estar faltando. É assim que as teorias de unificação funcionam. Um físico procura por padrões maiores, mais simétricos que incluem o padrão estabelecido como um subconjunto. O padrão maior nos permite prever a existência de partículas que nunca foram vistas. Este modelo de unificação prevê a existência destas duas novas partículas de força, que devem atuar muito parecido com a força fraca, apenas mais fraca.

Agora podemos rotacionar este conjunto de cargas em sete dimensões e ponderar um estranho fato sobre estas partículas de matéria: a segunda e a terceira gerações de matéria têm exatamente as mesmas cargas no espaço de cargas hexadimensional que a primeira geração. Estas particulas não apenas são unicamente identificadas por suas seis cargas. Elas ficam uma acima da outra no espaço de cargas padrão. Entretanto, se nós trabalharmos em um espaço de cargas octodimensional, então podemos atribuir novas cargas únicas a cada partícula. Então podemos girar estas em oito dimensões, e ver com que o padrão inteiro se parece. Aqui podemos ver que a segunda e terceira gerações de matéria agora se relacionam à primeira por uma simetria chamada "trialidade."

Este padrão particular de cargas em oito dimensões é realmente parte da mais bela estrutura geométrica da matemática. É um padrão do maior grupo Lie E8 excepcional. Este grupo Lie é uma forma suave, curvada com 248 dimensões. Cada ponto deste padrão corresponde a uma simetria sobre esta bastante complexa e bela forma. Uma pequena parte desta forma E8 pode ser usada para descrever o espaço-tempo curvado da relatividade geral de Einstein explicando a gravidade. Juntamente com a mecânica quântica, a geometria desta forma pode descrever tudo sobre como o universo funciona nestas minúsculas escalas. E o padrão desta forma que existe no espaço de cargas octodimensional é delicadamente lindo, e resume milhares de possíveis interações entre estas partículas elementares, cada um delas é apenas uma faceta desta complicada forma.

Enquanto a giramos, podemos ver muitos outros intrincados padrões contidos neste aqui. E com uma rotação particular, podemos olhar através deste padrão em oito dimensões ao longo dos eixos de simetria e ver todas as partículas de uma vez. É um objeto muito bonito, e como qualquer unificação, podemos ver algumas lacunas onde novas partículas são esperadas pelo padrão. Existem 20 lacunas onde novas partículas deveriam existir, duas destas foram preenchidas pelas partículas de Pati e Salam. De suas localizações neste padrão sabemos que estas novas partículas deveriam ser campos escalares como a partículas de Higgs, mas possuíndo cargas de cor e interagindo com a força forte. Preenchendo com estas novas partículas completa-se este padrão, nos dando o E8 completo.

Este padrão E8 tem raízes matemáticas muito profundas. É considerado por muitos a mais bela estrutura da matemática. É uma fantástica perspectiva este objeto de grande beleza matemática poder descrever a verdade das interações entre partículas nas menores escalas imagináveis. E esta idéia de que a natureza é descrita pela matemática não é absolutamente nova. Em 1623, Galileu escreveu isto: "O grande livro da natureza, que permanece continuamente aberto aos nossos olhos, está escrito na linguagem da matemática. Suas letras são triângulos, círculos e outras figuras geométricas, sem as quais é humanamente impossível entender uma única palavra dele; sem estas, fica-se vagando por um labirinto escuro."

Acredito que isto é verdade, e eu tenho tentado seguir a orientação de Galileu ao descrever a matemática da física de partículas usando apenas triângulos, círculos e outras formas geométricas. É claro, quando outros físicos e eu realmente trabalhamos nestas coisas, a matemática pode parecer um labirinto escuro. Mas é reconfortante que no âmago desta matemática está a linda, pura geometria. Unida com a mecânica quântica, esta matemática descreve nosso universo como um coral E8 em crescimento, com partículas interagindo em cada lugar de todas as formas possíveis de acordo com um lindo padrão. E na medida em que mais destes padrões são visíveis usando novas máquinas como o Large Hadron Collider, poderemos estar aptos a ver se a natureza usa este padrão E8 ou um diferente.

Este processo de descoberta é uma maravilhosa aventura para estar envolvido. Se o LHC encontrar partículas que completam este padrão E8, será muito, muito legal. Se o LHC encontrar novas partículas, mas elas não encaixarem no padrão -- bem, isto será muito interessante, mas ruim para a teoria E8. E, é claro, ruim para mim pessoalmente. (Risos) Quão ruim isso será? Bem, muito ruim. (Risos)

Mas prever como a natureza funciona é um jogo muito arriscado. Esta teoria e outras como ela são apostas altas. Precisamos trabalhar muito sabendo que muitas destas idéias provavelmente não vão ser confirmadas como fiéis à natureza. É como a física teórica se parece: existem muitos descartes. Neste aspecto, novas teorias físicas são muito como empresas começando. E como qualquer grande investimento, pode ser emocionalmente difícil abandonar uma linha de pesquisa quando ela não está funcionando. Mas na ciência, se algo não funciona, você tem de jogar fora e tentar outra coisa.

Agora, a única forma de manter a sanidade e atingir felicidade em meio a esta incerteza é manter equilíbrio e perspectiva na vida. Eu tentei o melhor que pude para viver uma vida equilibrada. (Risos) Eu tentei equilibrar minha vida igualmente entre física, amor e surfe, meus três únicos eixos de cargas. (Risos) Desta forma, mesmo se a física em que trabalho não dá em nada, eu ainda sei que vivi uma boa vida. E eu tento viver em lugares bonitos. A maior parte dos últimos dez anos eu vivi na ilha de Maui, um lugar muito bonito. Agora, um dos maiores mistérios do universo para meus pais é como eu consegui sobreviver todo este tempo sem me envolver com qualquer coisa parecida com trabalho em tempo integral. (Risos)

Eu vou ensinar a vocês o segredo. Esta era a vista do meu escritório em Maui. E esta é outra, e outra. Vocês podem ter notado que estas belas vistas são similares, mas em lugares um pouco diferentes. É porque esta costumava ser a minha casa e escritório em Maui. (Risos) Eu escolhi uma vida muito incomum. Mas não me preocupar com aluguel permitia gastar meu tempo fazendo o que amo. Vivendo uma existência nômade foi difícil às vezes, mas me permitiu viver em lindos lugares e manter um equilíbrio em minha vida com que tenho sido feliz. Me permitiu gastar muito do meu tempo na balada com corais hiper-inteligentes. Mas também aprecio muito a companhia de pessoas hiper-inteligentes. Portanto estou muito feliz de ter sido convidado aqui hoje. Muito obrigado. (Aplausos)

Chris Anderson: Eu provavelmente entendi dois por cento disso, mas ainda assim adorei. Então vou soar burro. Sua Teoria de Tudo --

Garret Lisi: estou acostumado com coral.

CA: Certo, a razão porque fez algumas pessoas no mínimo entusiasmadas é porque, se você está certo, une as teorias quântica e gravitacional. Então você diz que devemos pensar o universo no seu âmago, que as menores coisas que existem são de algum modo um objeto E8 de possibilidade? Ou seja, existe uma escala para isso na menor escala em sua mente, ou...?

GL: Bem, neste momento o padrão que mostrei a vocês que corresponde ao que nós sabemos sobre física de partículas elementares, que já corresponde a uma forma muito bela. E aquele é o que disse que conhecemos com certeza. E a forma tem notáveis similaridades, e o modo como encaixa neste padrão E8 pode ser o resto da concepção. E estes padrões de pontos que eu mostrei a vocês realmente representam simetrias deste objeto hiper-dimensional que estaria distorcendo e movendo e dançando sobre o espaço-tempo que experimentamos. E isso seria o que explica todas estas partículas elementares que vemos.

CA: Mas um teórico das supercordas, pelo que sei, explica elétrons em termos de muito menores vibrações de cordas -- Sei que você não gosta da teoria das cordas -- vibrando dentro dele. Como deveríamos pensar em um elétron em relação ao E8?

GL: Não, ele seria uma das simetrias desta forma E8; Então o que acontece é, na medida que esta forma move sobre o espaço-tempo ela está contorcendo. E a direção desta contorção na medida que se move é que partículas vemos. Então seria --

CA: O tamanho da forma E8, como ela se relaciona ao elétron? Eu sinto que preciso disso para visualizar. É maior, é menor?

GL: Bem, tanto quanto conhecemos elétrons como partículas pontuais, isto iria ao limite das menores escalas possíveis. Assim, a forma como estas coisas são explicadas na teoria do campo quântico é, todas as possibilidades estão expandindo e desenvolvendo de uma vez. E isto é porque eu usei a analogia do coral. E é neste sentido, o modo como E8 entra nisso ele será como uma forma que está conectada a cada ponto no espaço-tempo. E, como eu disse, o modo como a forma se contorce, o direcional ao longo do qual a forma está contorcendo na medida que move sobre a superfície curva, é o que as partículas elementares são, em si. Então através da teoria do campo quântico, elas se manifestam como pontos que interagem desse modo. Eu não sei se conseguirei ser mais claro. (Risos)

CA: Realmente não importa. Evoca uma espécie de deslumbramento, e eu certamente quero entender mais disso. Mas muito obrigado por vir. Foi absolutamente fascinante. (Aplausos)