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Conclusão desta primeira parte dedicada à geometria.
Uma palavra sobre a Física Geométrica B e a teoria dos grupos.
(Os elementos da teoria dos grupos, aplicados à física, são apresentados no início do sub-site Física Geométrica B, "Grupos Dinâmicos na Física".)
Introduzimos novos conceitos geométricos.
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Geometrias gêmeas, inspiradas inicialmente pela ideia de Andréi Sakharov: não existe um único universo, mas dois, que A. Sakharov chamou, em 1967, de "universos gêmeos".
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Esses dois universos não vivem em locais distantes, mas estão "no mesmo lugar". Damos a imagem (didática) das damas, com dois jogos, um sendo jogado nas casas pretas e o outro nas casas brancas.
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Esta é uma imagem didática de uma estrutura geométrica mais refinada, na qual o universo, como um todo, é composto por dois dobras distintas (mas interagentes). Essas dobras são hipersuperfícies de dimensão 4, que podem ser consideradas como "o revestimento de duas folhas de uma variedade esquelética".
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Assim como na relatividade geral, assumimos que as partículas seguem geodésicas de cada hipersuperfície. Uma dessas hipersuperfícies é suposta ser nosso espaço-tempo. A outra é suposta ser um espaço-tempo gêmeo.
A priori, três tipos de partículas são supostos evoluir ao longo das geodésicas de cada dobra, que são, esquematicamente:
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matéria
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antimátteria.
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fótons.
Assim, no segundo dobra, o segundo universo, que podemos chamar de dobra fantasma ou universo fantasma, encontraríamos:
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matéria fantasma
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antimátteria fantasma
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fótons fantasma.
( Tudo isso é explicado em detalhes em "Física Geométrica B: Grupos Dinâmicos na Física". )
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As duas dobras são distintas e suas linhas geodésicas também são distintas. Assim, um fóton se movendo em uma geodésica de nossa dobra F não pode pular e seguir uma "geodésica fantasma", pertencente ao universo fantasma, à dobra fantasma F*. Em conclusão, a luz emitida pela matéria (ou antimátteria) em nossa dobra não pode atingir o outro universo e ser recebida por uma partícula fantasma. Se criaturas vivas existissem na dobra F*, elas não poderiam ver nossas estrelas, nossas galáxias, nada que esteja em nossa dobra, sobre bases puramente geométricas.
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Ao contrário, um fóton fantasma, emitido por uma partícula de matéria fantasma (ou antimátteria fantasma) na dobra fantasma F* (ou universo fantasma), se move ao longo de uma geodésica dessa dobra e não pode pular para a outra dobra, a nossa. Assim, ele não pode ser recebido, capturado por uma partícula massiva localizada no nosso universo. Em conclusão, as estruturas do universo gêmeo, ou universo sombra, ou universo fantasma, qualquer que seja o nome que escolhermos, são fundamentalmente invisíveis para nós. Se existirem estruturas de qualquer tipo nesse segundo universo, não poderemos observá-las, por meios ópticos, pela mesma razão: sobre bases puramente geométricas.
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Essa ideia está próxima à ideia avançada pela teoria das supercordas. Muitos pesquisadores da comunidade das supercordas agora estão convencidos de que dois mundos existem, que se comunicam apenas por meio do campo gravitacional.
Witten (vencedor da medalha Fields), Duff, Green Schwarz, o ganhador do prêmio Nobel Abdus Salam...
veja um artigo recente de Michael Duff, na Scientific American, intitulado "a nova teoria das supercordas", traduzido para o francês (Pour la Science, abril de 1998).
Duff imagina a matéria "em uma parede" e matéria invisível "em outra parede, paralela à primeira".
A ideia de dois universos, duas entidades, incapazes de se verem mutuamente e se comunicando apenas pela força gravitacional, foi inicialmente devido a Green, Schwarz e ao ganhador do prêmio Nobel Abdus Salam.
A ideia geral é estender o número de dimensões. Na física clássica, esse número é quatro: (x, y, z, t), correspondendo ao espaço-tempo. A física teórica moderna tende a estender esse número, geralmente para dez.
Tudo se baseia então nas teorias dos grupos e nas simetrias. Uma simetria não é apenas as simetrias familiares do espaço 2D ou 3D, como:
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Simetria em relação a um ponto.
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Simetria em relação a um plano.
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Simetria em relação a uma reta.
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ou simetria de rotação (objetos periódicos, cristais).
Um objeto que permanece inalterado por uma translação possui esse "tipo de simetria".
Existem também, por exemplo, simetrias em relação ao tempo. Considere o movimento de uma partícula-teste localizada a uma distância r de um ponto massivo M.
G sendo a constante gravitacional, o movimento obedece, na dinâmica newtoniana, à seguinte equação diferencial:
(142)
que possui uma solução particular:
(143)
esta última sendo reversível no tempo. Obtemos uma simetria em relação ao tempo, uma simetria T.
As partículas possuem um conjunto de simetrias particulares. Isso forma um conjunto de restrições fortes, se quiser construir o grupo que governa as "coisas".
Atualmente, os pesquisadores da teoria das supercordas estão diante de um muro. Seu kit de ferramentas oferece muitas possibilidades, de modo que eles não falam mais de teoria, mas de teorias. Muitos dizem: "entre as milhões de teorias possíveis..."
Com meu colega Pierre Midy, abordamos o problema de um ângulo diferente, usando uma ferramenta chamada "ação coadjunta de um grupo em seu espaço de momentos". Veja o livro de Jean-Marie Souriau:
"Structure of Dynamical Systems", Birkhauser Ed. 1997".
(Veja também Física Geométrica B, Grupos Dinâmicos na Física ) . ** Com esta ferramenta, foi possível geométrizar partículas elementares como o próton, o nêutron, o elétron, o fóton, os neutrinos e suas antipartículas. Mas não tratamos de estruturas mais profundas (quarks). Veja nosso artigo:
J.P. Petit e P. Midy : Geometrização da matéria e da antimátteria pela ação coadjunta de um grupo em seu espaço de momentos. 1 : Cargas como componentes escalares adicionais do momento de um grupo atuando em um espaço de 10 dimensões. Definição geométrica da antimátteria. Física Geométrica B, 1, 1998.
Este artigo contém uma definição geométrica da antimátteria.
Breve, além do espaço-tempo clássico: {x, y, z, t}, adicionamos seis dimensões adicionais, dimensões adicionais:
{z₁, z₂, z₃, z₄, z₅, z₆}
Podemos associar esses escalares a um vetor z. Da mesma forma, podemos definir o vetor espaço-tempo:
(144)
Podemos considerar que uma partícula "vive" em um espaço de dez dimensões:
(145)
(146)
Ou, simplesmente: z → -z
o que significa:
z₁ → -z₁
z₂ → -z₂
z₃ → -z₃
z₄ → -z₄
z₅ → -z₅
z₆ → -z₆
Todas as dimensões adicionais são invertidas.
A introdução de dimensões adicionais modifica o Grupo Dinâmico. Veja o livro de Souriau, edição Birkhauser 1997.
Na física relativística não quântica, o grupo dinâmico é o grupo de Poincaré. Ele é estendido ao mundo quântico, introduzindo uma quinta dimensão z (Souriau, 1964). Além disso, o método de Kostant-Kirilov-Souriau permite construir a equação de Klein-Gordon a partir da "extensão central do grupo de Poincaré", novo grupo dinâmico.
Tratamos de um grupo de Poincaré generalizado e estendido ("grupo de Petit"), cuja ação coadjunta em seu espaço de momentos fornece os seis números quânticos clássicos:
q: carga elétrica
cB: número bariônico
cL: número leptônico
cm: número múonico
ct: número taoônico
v: constante giromagnética.
Uma partícula é então definida pelo conjunto:
{q, cB, cL, cm, ct, v, E, px, py, pz, s}
E é sua energia
{px, py, pz} é seu vetor momento
s é seu spin.
Por exemplo, um elétron corresponde a:
q: carga elétrica = -1
cB: número bariônico = 0
cL: número leptônico = 1
cm: número múonico = 0
ct: número taoônico = 0
v: constante giromagnética = ve
s = 1/2
e um antipróton a:
q: carga elétrica = -1
cB: número bariônico = -1
cL: número leptônico = 1
cm: número múonico = 0
ct: número taoônico = 0
v: constante giromagnética = -ve
s = 1/2
um fóton a:
q: carga elétrica = 0
cB: número bariônico = 0
cL: número leptônico = 0
cm: número múonico = 0
ct: número taoônico = 0
v: constante giromagnética = 0
s = 1
Na teoria de Dirac da antimátteria, todas as cargas são invertidas (incluindo a carga elétrica).
Como todas as cargas do fóton são nulas, isso explica por que o fóton é sua própria antipartícula, pois:
- 0 = + 0
Este método fornece então uma primeira geométrização das partículas elementares (ordinárias). A descrição é limitada às componentes dos núcleos.
Versão original (inglês)
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Conclusion of this first part devoted to geometry.
A word about Geometrical Physics B and group theory.
( Elements of group theory, applied to physics, are given at the begining of the sub-site Goemetrical Physics B , "Dynamic Groups of Physics" ) .****
We have introduced new geometric concepts.
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Twin geometries, inspired intially by Andréi Sakharov's idea : There is not only a single universe, but two, which A. Sakharov called, in 1967 "twin universes".
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These two universes don't live in distant places, but lie "at the same place". We gave the (primitive) didactic image of checkers, with two games, one being played on black squares and the other on white ones.
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This is a didactic image of a more refined geometric structure, in which the universe, as a whole, is composed by two distinct (but interacting) folds. These folds are 4d hypersurfaces, which can be considered as "the two-folds cover of a skeleton-manifold".
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As in general relativity, we assume that particles follow geodesic of each hypersurface. One of these is supposed to be our space-time. The other is supposed to be twin space-time.
A priori three kinds of particles are supposed to cruise along geodesics in each fold, which are, schematically :
-
matter
-
anti-matter.
-
photons.
So that, in the second fold, the second universe, that we can call ghost fold, or ghost universe, we would find :
-
ghost matter
-
ghost anti-matter
-
ghost photons.
( all that is explained in details in " Geometrical Physics B : Dynamic Groups ins Physics" ).
-The two folds are distinct and their geodesic lines are distinct too. So that a photon, travelling on a geodesic of our fold F, cannot jump and follow a "ghost geodesic", which belongs to the ghost universe, the ghost fold F*. As a conclusion, light emetted by matter (or anti-matter) in our fold, cannot reach the other universe and be received by some ghost particle. If some living creatures exist in the fold F*, they cannot see our stars, our galaxies, anything that lies in our fold, on pure geometrical grounds.
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Conversely, a ghost photon, emitted by a particle of ghost matter (or ghost anti-matter) in the ghost fold F* ( or ghost universe ), travels on a geodesics of this fold and cannot jump to the other fold, ours. So that it cannot be received, captured by any massive particle located in our universe. As a conclusion, the structures of the twin universe, or shadow universe, or ghost universe, whatever the name we choose, are basically invisible to us. If there are structures of any kind in this second universe, we cannot observe it, by optical means, for the same reason : on pure geometrical grounds.
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This idea is close to the superstring advanced idea. Many researchers, from the superstring community, are now conviced that two worlds exist, which communicate only through gravitational field.
Witten ( Field medal winner ), Duff, Green Schwarz, the Nobel Price winner Abdus Salam.....
see a recent paper of Michael Duff, in Scientific American, entitled "the new superstring theory", translated in french (Pour la Science Journal, april 1998 ).
Duff imagines matter "on a wall" and some invisible matter "on another wall, parallel to the first.
The idea of two universe, two entities, unable to see each other and communicating only through gravitational force, was initially due to Green, Swharz and the Nobel Price winner Abdus Salam.
The general idea is to extend the number of dimensions. In classical physics, this number is four : (x , y , z , t), corresponding to space-time. Modern theoretical physics tends to extend that number, in general to ten.
Then all is based on group theories and *symmetries *. A symmetry is not only the familiar symmetries of the 2d or 3d space, like
-
Symmetry with respect to a point.
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Symmetry with respect to a plane
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Symmetry with respect to a straight line.
-
or rotational symmetry ( periodic objects, crystals ).
An object which remains unchanged through a translation owns this "kind of symmetry".
There are also, for example, symmetries with respect to time. Consider the movement of a test particle, located at a distance r from a mass-point M.
G being the constant of gravity, the movement obeys, in newtonian dynamics, the following differential equation :
(142)
which owns a peculiar solution :
(143)
this last being *time-reversible **. ***We get a symmetry with respect to time, a T-symmetry.
Particles own a set of peculiar symmetries. This forms a set of strong constraints, if one wants to build the group which runs the "things".
At the present time the superstring men are facing a wall. Their tool box offers too many possibilities, so that they don't talk about theory, but about theories. Many uses to say : "among the million of possible theories..."
With my collegue Pierre Midy we have approached the problem on a different angle, using a tool called "the coadjoint action of a group on its momentum space". See the book of Jean-Marie Souriau :
"Structure of Dynamical Systems",Birkhauser Ed. 1997".
(See also Geometrical Physics B, Dynamic groups ins Physics ) . ** With such tool it has been possible to geometrize elementary particles such as proton, neutron, electron, photon, neutrinos, and their antis. But we do not deal with deeper structure ( quarks). See our paper :
J.P.Petit and P.Midy : Geometrization of matter and anti-matter through coadjoint action of a group on its momentum space. 1 : Charges as additional scalar components of the momentum of a group acting on a 10d-space. Geometrical definition of anti-matter. Geometrical Physics B, 1, 1998.
This paper contains a geometrical definition of anti-matter .
Briefly, to classical space-time : { x , y , z , t } we add six more dimensions, additional dimensions :
{ z 1, z 2,z 3,z 4,z 5,z 6 }
We can link these scalar to a vector **z . **Similarly we can define the space-time vector :
(144)
We can consider that a particle "live" in a ten dimensional space :
(145)
(146)
Or, simply : z ---> - z
which means :
z 1 -----> - z 1 z 2 -----> - z 2 z 3 -----> - z 3 z 4 -----> - z 4 z 5 -----> - z 5 z 6 -----> - z 6
All the additional dimensions are reversed.
The introduction of additional dimensions modifies the Dynamic Group . See the book of Souriau, Birkhauser Ed. 1997.
In non quantum relativistic physics the dynamic group is the Poincaré's group. One extends to the quantum world, introducing a fifth dimension z (Souriau, 1964). Furthermore the Kostant-Kirilov-Souriau method makes it possible to build the Klein-Gordon equation from the "Central extension of the Poincaré group", the new dynamic group.
We deal with a generalized extended Poincaré's group ("Petit's group"), whose coadjoint action on its momentum gives the six classical quantum numbers :
q : electric charge cB : baryonic number cL : leptonic number cm : muonic number ct : tauonic number v : gyromagnetic constant.
Then a particle is defined by the set :
{ q , cB , cL , cm , ct , v , E , px , py, pz, s }
E is its energy
{ px , py, pz} is its impulsion vector
s is its spin.
For example, an electron corresponds to :
q : electric charge = - 1 cB : baryonic number = 0 cL : leptonic number = 1 cm : muonic number = 0 ct : tauonic number = 0 v : gyromagnetic constant. = ve s = 1/2
and anti proton to : q : electric charge = - 1 cB : baryonic number = -1 cL : leptonic number = 1 cm : muonic number = 0 ct : tauonic number = 0 v : gyromagnetic constant. = - ve s = 1/2
a photon to :
q : electric charge = 0 cB : baryonic number = 0 cL : leptonic number = 0 cm : muonic number = 0 ct : tauonic number = 0 v : gyromagnetic constant. = 0 s = 1
In Dirac's anti-matter all the charges are reversed ( including the electric charge ).
As all the charges of photons are zero it explains why the photons is its own antiparticle, because :
- 0 = + 0
Then this method gives a first geometrization of (usual) elementary particles. The description is limited to the components of the nuclei.