Multiverso na teoria das cordas e na teoria-M
(Multiverso paisagem)

A teoria das cordas é uma das principais propostas para a unificação das leis físicas, cujas equações admitem um grande número de soluções possíveis, associadas a diferentes estados de vácuo - configurações estáveis de energia mínima, capazes de definir leis físicas distintas.

A teoria-M amplia esse quadro teórico, reunindo e estendendo os resultados das diversas formulações das cordas. Desse arcabouço emerge o chamado multiverso paisagem (landscape), no qual cada ponto corresponde a um universo fisicamente possível.

Um dos argumentos mais conhecidos em favor da ideia de multiverso está relacionado ao valor da energia escura presente no espaço aparentemente vazio. Trata-se de um parâmetro notavelmente "ajustado": se fosse apenas um pouco maior, a formação de estrelas, planetas e galáxias seria inviável, e nós jamais teríamos existido.

Como explicar um valor tão específico? No contexto do multiverso, a quantidade de energia escura poderia assumir incontáveis valores diferentes em universos distintos. Nesse cenário, a ocorrência de um valor compatível com a existência de estruturas complexas - e da vida - deixa de ser improvável, tornando-se até mesmo inevitável.

Esse raciocínio, contudo, é essencialmente probabilístico e não esclarece por que cada universo possuiria um valor particular de energia escura. As possíveis respostas para essa questão podem estar associadas à teoria das cordas.

Esse modelo é um ambicioso arcabouço teórico que busca unificar todas as leis fundamentais da física, idealmente por meio de uma descrição matemática única capaz de explicar a origem, a estrutura e a dinâmica do cosmos.

Segundo a teoria, partículas elementares não seriam objetos pontuais, mas sim diminutas cordas vibrantes, filamentos de energia extremamente pequenos, cujos diferentes padrões de vibração dão origem aos diversos tipos de partículas observadas.

A matéria, portanto, é composta por átomos, formados por elétrons e núcleos atômicos; estes, por sua vez, são constituídos por prótons e nêutrons, que se subdividem em quarks. Em um nível ainda mais fundamental, a Teoria das Cordas propõe que tudo se origina das vibrações dessas cordas elementares.

Um aspecto crucial da teoria é que sua formulação matemática exige a existência de dimensões espaciais adicionais. Na versão tradicional da Teoria das Cordas, o espaço possui nove dimensões espaciais, ou seja, seis além das três que percebemos diretamente. A energia associada às cordas pode vibrar ao longo de todas essas dimensões.

Mas onde estão essas dimensões extras? De acordo com os defensores da teoria, elas são extremamente pequenas e encontram-se compactificadas, "enroladas" em escalas microscópicas. O formato dessas dimensões adicionais influencia diretamente os padrões vibratórios das cordas e, consequentemente, as propriedades físicas do Universo, como as partículas existentes e os valores das constantes fundamentais.

É justamente nesse ponto que surge um dos maiores desafios - e, ao mesmo tempo, uma das consequências mais intrigantes - da teoria das cordas. A matemática da teoria admite um número gigantesco de formas possíveis para essas dimensões compactas, estimado em mais de 10⁵⁰⁰ configurações distintas. Cada uma dessas configurações corresponde a um estado de vácuo diferente.

A partir dessa perspectiva, todas essas soluções seriam fisicamente válidas. Cada estado de vácuo definiria um universo possível, com leis físicas e valores de constantes distintos. Assim, a teoria das cordas não descreveria exclusivamente o nosso Universo, mas um vasto multiverso paisagem, composto por pelo menos 10⁵⁰⁰ universos distintos - o número 1 seguido de 500 zeros.

Aprimoramentos na precisão dos cálculos da teoria das cordas - mais precisamente, das chamadas teorias de supercordas - revelaram que ela pode assumir cinco formulações matematicamente consistentes distintas. Atualmente, entende-se que essas cinco teorias não são modelos concorrentes, mas diferentes descrições de um mesmo arcabouço fundamental, válidas em regimes físicos específicos — de modo análogo à gravitação de Newton, que constitui uma excelente aproximação da teoria da relatividade geral de Einstein em certos limites.

O elemento determinante que distingue essas cinco versões é uma constante matemática conhecida como constante de acoplamento das cordas, a qual expressa a intensidade da interação entre elas - ou, em termos simplificados, a probabilidade de uma corda interagir com outra. Sabe-se que, ao variar o valor dessa constante, uma dessas teorias pode se transformar continuamente em outra, evidenciando uma profunda correlação entre todas elas.

Essa rede de relações levou à proposta de um modelo unificador mais amplo, conhecido como teoria-M, formulado na década de 1990 pelo físico teórico norte-americano Edward Witten. A teoria-M não substitui a teoria das cordas, mas a generaliza, fornecendo um quadro conceitual mais abrangente no qual as cinco versões das cordas surgem como casos particulares.

Como vimos, a teoria das cordas previa originalmente a existência de nove dimensões espaciais, além da dimensão temporal. Os desenvolvimentos que conduziram à teoria-M indicaram que os constituintes fundamentais da realidade não se limitam a cordas unidimensionais, mas incluem também objetos estendidos de dimensões superiores.

Esses objetos são denominados branas (do inglês branes, derivado de membranes). As cordas correspondem às 1-branas, enquanto superfícies bidimensionais são chamadas de 2-branas, e assim sucessivamente, podendo chegar até 9-branas, dependendo do modelo considerado. Todas essas entidades são dinâmicas e possuem graus de liberdade próprios.

Um resultado particularmente importante demonstrado por Witten é que o valor da constante de acoplamento das cordas está associado ao tamanho de uma décima dimensão espacial adicional. Desse modo, a teoria-M descreve um universo com dez dimensões espaciais, que, somadas à dimensão temporal, totalizam onze dimensões no espaço-tempo.

Outro ajuste conceitual relevante introduzido por essa abordagem refere-se ao tamanho dos objetos fundamentais. As cordas propriamente ditas são, de fato, extremamente pequenas - próximas à escala de Planck. No entanto, branas de dimensões superiores podem, em princípio, ser muito maiores, podendo atingir escalas cosmológicas ou até mesmo possuir extensão infinita.

Em seu livro O Universo numa Casca de Noz, Stephen Hawking recorre a uma analogia intuitiva para ilustrar esse conceito, comparando o surgimento de uma brana à formação de bolhas em água fervente. Cada bolha é tridimensional, mas sua superfície é bidimensional - e é essa superfície que representa a brana no exemplo.

De forma análoga, nosso universo pode ser descrito como um espaço tridimensional que, na verdade, corresponde a uma 3-brana imersa em um espaço de dimensionalidade superior. Nesse contexto, nosso cosmos não seria único, mas apenas um entre muitos universos-brana coexistindo em um multiverso das branas.

É naturalmente difícil visualizar ou representar um cosmos multidimensional, dado que nossa experiência direta está limitada a três dimensões espaciais. A figura abaixo ilustra, de maneira puramente metafórica, um conjunto de 2-branas próximas entre si:

Cabe ressaltar que as branas podem assumir orientações variadas no espaço multidimensional, e que branas de diferentes dimensionalidades podem coexistir nesse mesmo "hiperespaço".

Em muitos modelos, assume-se que esses universos-brana são inacessíveis uns aos outros no que diz respeito às interações conhecidas. Contudo, não se pode descartar a possibilidade de que a gravidade, diferentemente das demais forças fundamentais, possa se propagar pelas dimensões extras, exercendo alguma influência entre branas próximas.

Nesse cenário, os universos-brana não seriam estáticos: eles poderiam se mover no espaço multidimensional e, eventualmente, colidir. Essa hipótese conduz a modelos de multiverso cíclico, nos quais colisões entre branas dariam origem a enormes liberações de energia - eventos que, do ponto de vista de cada universo individual, poderiam ser interpretados como Big Bangs. Assim, o cosmos seria descrito como um sistema dinâmico, em contínua transformação e renovação.