A Teoria de Cordas e a Unificação das Forças da...

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A Teoria de Cordas e a Unificação das Forças da Natureza Victor O. Rivelles Instituto de F´ ısica Universidade de S ˜ ao Paulo [email protected] http://www.fma.if.usp.br/˜rivelles/ Simp ´ osio Nacional de Ensino de F´ ısica - S ˜ ao Lu´ ız, MA, 30/01/2007 A Teoria de Cordas e a Unificac ¸ ˜ ao das Forc ¸as da Natureza – p. 1/29

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A Teoria de Cordas e aUnificação das Forças da

NaturezaVictor O. Rivelles

Instituto de Fısica

Universidade de Sao Paulo

[email protected]

http://www.fma.if.usp.br/˜rivelles/

Simp osio Nacional de Ensino de Fısica - S ao Luız, MA, 30/01/2007

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 1/29

O Método CientíficoObservação do Fenômeno: É importante que o fenômeno possa ser repetido. Nessafase são feitas medidas cuidadosas.

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 2/29

O Método CientíficoObservação do Fenômeno: É importante que o fenômeno possa ser repetido. Nessafase são feitas medidas cuidadosas.

Criação de Hipóteses: Imaginam-se explicações para o fenômeno. A procura daexplicação (do porquê) leva, muitas vezes à criação de um Modelo. A hipótese oumodelo mais simples e elegante é escolhido como provável explicação para o fenômenoestudado. Um modelo é uma descrição formal de um fenômeno, uma maneira deentender o fenômeno, que é capaz de fazer predições.

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 2/29

O Método CientíficoObservação do Fenômeno: É importante que o fenômeno possa ser repetido. Nessafase são feitas medidas cuidadosas.

Criação de Hipóteses: Imaginam-se explicações para o fenômeno. A procura daexplicação (do porquê) leva, muitas vezes à criação de um Modelo. A hipótese oumodelo mais simples e elegante é escolhido como provável explicação para o fenômenoestudado. Um modelo é uma descrição formal de um fenômeno, uma maneira deentender o fenômeno, que é capaz de fazer predições.

Teste das Hipóteses: A hipótese escolhida deve explicar novas observações e novosfenômenos. O modelo relacionado à esta hipótese deve ser capaz de fazer previsõessobre fenômenos que ainda vão ocorrer. Se a hipótese estiver errada, dependendo dograu de erro, ela deve ser melhorada, parcialmente corrigida ou abandonada (trocadapor outra hipótese).

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O Método CientíficoObservação do Fenômeno: É importante que o fenômeno possa ser repetido. Nessafase são feitas medidas cuidadosas.

Criação de Hipóteses: Imaginam-se explicações para o fenômeno. A procura daexplicação (do porquê) leva, muitas vezes à criação de um Modelo. A hipótese oumodelo mais simples e elegante é escolhido como provável explicação para o fenômenoestudado. Um modelo é uma descrição formal de um fenômeno, uma maneira deentender o fenômeno, que é capaz de fazer predições.

Teste das Hipóteses: A hipótese escolhida deve explicar novas observações e novosfenômenos. O modelo relacionado à esta hipótese deve ser capaz de fazer previsõessobre fenômenos que ainda vão ocorrer. Se a hipótese estiver errada, dependendo dograu de erro, ela deve ser melhorada, parcialmente corrigida ou abandonada (trocadapor outra hipótese).

Estabelecimento de uma Lei Científica: Se a hipótese é comprovada pelos testes ela setorna uma lei científica.

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 2/29

O Método CientíficoObservação do Fenômeno: É importante que o fenômeno possa ser repetido. Nessafase são feitas medidas cuidadosas.

Criação de Hipóteses: Imaginam-se explicações para o fenômeno. A procura daexplicação (do porquê) leva, muitas vezes à criação de um Modelo. A hipótese oumodelo mais simples e elegante é escolhido como provável explicação para o fenômenoestudado. Um modelo é uma descrição formal de um fenômeno, uma maneira deentender o fenômeno, que é capaz de fazer predições.

Teste das Hipóteses: A hipótese escolhida deve explicar novas observações e novosfenômenos. O modelo relacionado à esta hipótese deve ser capaz de fazer previsõessobre fenômenos que ainda vão ocorrer. Se a hipótese estiver errada, dependendo dograu de erro, ela deve ser melhorada, parcialmente corrigida ou abandonada (trocadapor outra hipótese).

Estabelecimento de uma Lei Científica: Se a hipótese é comprovada pelos testes ela setorna uma lei científica.

Criação de uma Teoria: Uma teoria é um conjunto de leis que explica um mesmofenômeno ou alguns fenômenos relacionados entre si e que já foi testada e comprovadaem um grande número de experiências.

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 2/29

O que é unificar?Reducionismo na ciência: explicar o maior número possível de fenômenos com o menornúmero possível de hipóteses.

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O que é unificar?Reducionismo na ciência: explicar o maior número possível de fenômenos com o menornúmero possível de hipóteses.

Aristóteles: movimento nos céus é dife-rente do movimento na Terra.

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O que é unificar?Reducionismo na ciência: explicar o maior número possível de fenômenos com o menornúmero possível de hipóteses.

Aristóteles: movimento nos céus é dife-rente do movimento na Terra.

Kepler, Galileo e Newton: unificaram omovimento dos corpos celestes e ter-restres nas LEIS DE MOVIMENTO DENEWTON

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 3/29

O que é unificar?

Fenômenos elétricos e magnéticos têm naturezas diferentes.

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O que é unificar?

Fenômenos elétricos e magnéticos têm naturezas diferentes.

Faraday e Maxwell: unificaram o campoelétrico e magnético na TEORIA ELE-TROMAGNÉTICA

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Teorias unificadasHoje em dia reconhece-se que a unificac ao é um ingrediente essencial na compreensãodos objetos fundamentais que encontramos na Natureza

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Teorias unificadasHoje em dia reconhece-se que a unificac ao é um ingrediente essencial na compreensãodos objetos fundamentais que encontramos na Natureza

Sabemos que toda matéria queconhecemos é composta deátomos.

Os átomos são compostos de umnúcleo e elétrons.

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 5/29

Teorias Unificadas

O núcleo é composto de prótons e neu-trons.

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Teorias Unificadas

O núcleo é composto de prótons e neu-trons.

E os prótons e neutrons são compostosde QUARKS!

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Matéria

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Matéria

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Forças FundamentaisA matéria interage através de forças de interação

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Forças FundamentaisA matéria interage através de forças de interação

Existem 4 forças fundamentais na Natureza:

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Forças FundamentaisA matéria interage através de forças de interação

Existem 4 forças fundamentais na Natureza:Força gravitacionalForça eletromagnéticaForça fraca (ex: decaimento β do neutron)Força forte (ex: forças nucleares)

Forte: 1; EM: 10−2; Fraca: 10

−5; Gravit.: 10−39

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Forças FundamentaisA matéria interage através de forças de interação

Existem 4 forças fundamentais na Natureza:Força gravitacionalForça eletromagnéticaForça fraca (ex: decaimento β do neutron)Força forte (ex: forças nucleares)

Forte: 1; EM: 10−2; Fraca: 10

−5; Gravit.: 10−39

As forças fundamentais da Natureza são transportadaspor partículas

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Forças Fundamentais

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Situação Atual

As partículas elementares sãodescritas por uma teoria quânticade campos no qual as partículassão tratadas como pontos.

Teoria unificada das forçaseletromagnéticas e fracas: TeoriaEletrofraca ou de Salam-Weinberg

Teoria para as forças fortes:Cromodinâmica Quântica

Juntas formam o Modêlo Padrãodas Partículas Elementares.

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Situação Atual

As partículas elementares sãodescritas por uma teoria quânticade campos no qual as partículassão tratadas como pontos.

Teoria unificada das forçaseletromagnéticas e fracas: TeoriaEletrofraca ou de Salam-Weinberg

Teoria para as forças fortes:Cromodinâmica Quântica

Juntas formam o Modêlo Padrãodas Partículas Elementares.

Unificação das 3 forças: teorias degrande unificação.

Previsão: o próton é instável: 1031

anos

Experimentos foram realizados eNÃO foi detectado o decaimento dopróton!

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LHC - CERN

Organisation Européenne pour laRecherche Nucléaire (CERN)

Large Hadron Collider (LHC) - Tunel de27 Km de circunferência à 100 m de

profundidade.

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 12/29

LHC - CERN

Organisation Européenne pour laRecherche Nucléaire (CERN)

Large Hadron Collider (LHC) - Tunel de27 Km de circunferência à 100 m de

profundidade.

Recentemente descobriu-se que as partículas do modêlo padrãocorrespondem à apenas 4% do conteúdo do universo!!!

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 12/29

LHC - CERN

Organisation Européenne pour laRecherche Nucléaire (CERN)

Large Hadron Collider (LHC) - Tunel de27 Km de circunferência à 100 m de

profundidade.

Recentemente descobriu-se que as partículas do modêlo padrãocorrespondem à apenas 4% do conteúdo do universo!!!

Tal informação veio de outra área: COSMOLOGIA !!!

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 12/29

Gravitação NewtonianaA força gravitacional Newtoniana propaga-se instantâneamente.

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 13/29

Gravitação NewtonianaA força gravitacional Newtoniana propaga-se instantâneamente.

Está em contradição com a relatividade restrita!

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 13/29

Gravitação NewtonianaA força gravitacional Newtoniana propaga-se instantâneamente.

Está em contradição com a relatividade restrita!

Einstein demorou 10 anos para compatibilizar a relatividade restritacom a gravitação.

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 13/29

Gravitação NewtonianaA força gravitacional Newtoniana propaga-se instantâneamente.

Está em contradição com a relatividade restrita!

Einstein demorou 10 anos para compatibilizar a relatividade restritacom a gravitação.

E o resultado é:

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Relatividade GeralA Relatividade Geral é uma teoria da gravitação relativística

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Relatividade GeralA Relatividade Geral é uma teoria da gravitação relativística

Não há força gravitacional.

A gravitação devido à curvatura doespaço.

Matéria causa a curvatura doespaço.

A curvatura determina o movimentoda matéria.

A curvatura determina todas as pro-priedades locais do espaço curvo.

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Cosmologia

A relatividade geral permitedescrever a história dopróprio Universo:Cosmologia.

Prevê que o Universo estáem expansão!

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 15/29

Cosmologia

A relatividade geral permitedescrever a história dopróprio Universo:Cosmologia.

Prevê que o Universo estáem expansão!

Na época em que a relatividade geral foi descoberta acreditava-seque o Universo era estático!

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 15/29

Cosmologia

A relatividade geral permitedescrever a história dopróprio Universo:Cosmologia.

Prevê que o Universo estáem expansão!

Na época em que a relatividade geral foi descoberta acreditava-seque o Universo era estático!

Einstein modifica suas equações para obter um universo estático epara isso introduz a constante cosmológica!

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 15/29

Cosmologia

A relatividade geral permitedescrever a história dopróprio Universo:Cosmologia.

Prevê que o Universo estáem expansão!

Na época em que a relatividade geral foi descoberta acreditava-seque o Universo era estático!

Einstein modifica suas equações para obter um universo estático epara isso introduz a constante cosmológica!

Depois de alguns anos Hubble descobriu que as galáxias estão seafastando de nós e portanto o Universo está em expansão!

Einstein afirma que cometeu o maior erro de sua vida!

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Cosmologia

O universo foi gerado numbig bang que ocorreu acerca de 13.7 bilhões deanos atrás.

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 16/29

Cosmologia

O universo foi gerado numbig bang que ocorreu acerca de 13.7 bilhões deanos atrás.

Não compreendemos o queaconteceu NO big bang,nem se houve algo antesdo big bang.

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 16/29

Cosmologia

O universo foi gerado numbig bang que ocorreu acerca de 13.7 bilhões deanos atrás.

Não compreendemos o queaconteceu NO big bang,nem se houve algo antesdo big bang.

Não existe uma teoriaquântica para a gravitação.

Não é possível controlar asflutuações quânticas darelatividade geral. É umateoria não renormalizável.

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 16/29

Cosmologia

O universo foi gerado numbig bang que ocorreu acerca de 13.7 bilhões deanos atrás.

Não compreendemos o queaconteceu NO big bang,nem se houve algo antesdo big bang.

Não existe uma teoriaquântica para a gravitação.

Não é possível controlar asflutuações quânticas darelatividade geral. É umateoria não renormalizável.

A gravitação (relatividadegeral) NÃO está incluída nomodêlo padrão das partícu-las elementares!!!

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A matéria descrita pelo modelo padrão das partículas elementarescorresponde à apenas 4% do conteúdo do Universo.

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 17/29

A matéria descrita pelo modelo padrão das partículas elementarescorresponde à apenas 4% do conteúdo do Universo.

Do que é constituído o restante do Universo?

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Matéria Escura

Materia escura não emitee nem reflete a luz.

É detectada só através deefeitos gravitacionais.

As galáxias parecem termuito mais massa do queaquela que emite luz.

A matéria escura constituiu22% do conteúdo douniverso!!!

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Bullet Cluster

Colisão de dois aglomerados de galáxias. Colisão do gás em vermelho e a matéria escuraem azul.

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Energia EscuraMatéria comum: 4 %

Matéria escura: 22 %

Energia escura : 74 %

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Energia EscuraMatéria comum: 4 %

Matéria escura: 22 %

Energia escura : 74 %

Forma de energia com pressão negativa que faz o universo expandir aceleradamente.

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 20/29

Energia EscuraMatéria comum: 4 %

Matéria escura: 22 %

Energia escura : 74 %

Forma de energia com pressão negativa que faz o universo expandir aceleradamente.

Detectado na expansão de super-novas distantes.

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 20/29

Energia EscuraMatéria comum: 4 %

Matéria escura: 22 %

Energia escura : 74 %

Forma de energia com pressão negativa que faz o universo expandir aceleradamente.

Detectado na expansão de super-novas distantes.

Pode ser causado por uma constante cosmológica na relatividade geral. Valorexperimental 10−120

m4

P, mP é a massa de Planck.

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 20/29

Energia EscuraMatéria comum: 4 %

Matéria escura: 22 %

Energia escura : 74 %

Forma de energia com pressão negativa que faz o universo expandir aceleradamente.

Detectado na expansão de super-novas distantes.

Pode ser causado por uma constante cosmológica na relatividade geral. Valorexperimental 10−120

m4

P, mP é a massa de Planck.

Por outro lado, na teoria quântica de campos, o valor esperado para a constantecosmológica, é de 1m

4

P. Discrepância por um fator de 10

120!!! Problema daconstante cosmol ogica .

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WMAP

Satélite sucessor do COBE: prêmioNobel de 2006

Mede diferenças de temperatura daradiação cósmica de fundo da ordem de

micro Kelvin!

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Teoria de cordasProposta mais conservadora: teoria de cordas.

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 22/29

Teoria de cordasProposta mais conservadora: teoria de cordas.

Assume que a mecânica quântica e a relatividade restrita são válidas.

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 22/29

Teoria de cordasProposta mais conservadora: teoria de cordas.

Assume que a mecânica quântica e a relatividade restrita são válidas.

Assume que os objetos funda-mentais são estendidos ao invésde pontuais: CORDAS.

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Teoria de cordasProposta mais conservadora: teoria de cordas.

Assume que a mecânica quântica e a relatividade restrita são válidas.

Assume que os objetos funda-mentais são estendidos ao invésde pontuais: CORDAS.

As partículas elementares cor-respondem aos modos de vibra-ção quantizados de uma cordarelativísitica.

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Teoria de cordas

Cordas abertas dão origem aosbósons de gauge.

Cordas fechadas dão origem agravitação.

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Teoria de cordas

Hoje em dia os objetos fundamentais in-cluem cordas e membranas de diversasdimensões: p-branas.

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Teoria de Cordas

As cordas podem interagir entre si.

Pode-se fazer uma expansão perturbativa

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ConsequênciasObtém-se uma teoria da gravitação quântica!

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 26/29

ConsequênciasObtém-se uma teoria da gravitação quântica!

Explica a entropia de certas classes de buracos negros.

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 26/29

ConsequênciasObtém-se uma teoria da gravitação quântica!

Explica a entropia de certas classes de buracos negros.

Obtém-se uma teoria que estende o modêlo padrão das partículas elementares !

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 26/29

ConsequênciasObtém-se uma teoria da gravitação quântica!

Explica a entropia de certas classes de buracos negros.

Obtém-se uma teoria que estende o modêlo padrão das partículas elementares !

Consistência requer a existência de novas simetrias: supersimetria . Pode serdetectada no LHC em 2008

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 26/29

ConsequênciasObtém-se uma teoria da gravitação quântica!

Explica a entropia de certas classes de buracos negros.

Obtém-se uma teoria que estende o modêlo padrão das partículas elementares !

Consistência requer a existência de novas simetrias: supersimetria . Pode serdetectada no LHC em 2008

Consistência requer a existência de dimens oes extras .

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 26/29

ConsequênciasObtém-se uma teoria da gravitação quântica!

Explica a entropia de certas classes de buracos negros.

Obtém-se uma teoria que estende o modêlo padrão das partículas elementares !

Consistência requer a existência de novas simetrias: supersimetria . Pode serdetectada no LHC em 2008

Consistência requer a existência de dimens oes extras .

A dimensionalidade doespaço-tempo passou a ser algoque deve ser determinadoexperimentalmente!

Experiências com balança detorção: < 44 micrometros.

LHC podererá detecta-las em 2008.

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Branas

Nosso universo pode ser umabrana imersa em 10 dimensões.

Dimensões extras grandes: gravita-ção propaga-se em todas as dimen-sões.

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 27/29

Branas

Nosso universo pode ser umabrana imersa em 10 dimensões.

Dimensões extras grandes: gravita-ção propaga-se em todas as dimen-sões.

Duas branas, numa a gravitação éforte e noutra é fraca.

Grávitons poderiam ser produzidosno LHC.

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 27/29

Branas

Nosso universo pode ser umabrana imersa em 10 dimensões.

Dimensões extras grandes: gravita-ção propaga-se em todas as dimen-sões.

Duas branas, numa a gravitação éforte e noutra é fraca.

Grávitons poderiam ser produzidosno LHC.

Se a escala de Planck estiver na região de TeV, o LHC poderia produzir buracos negros, oque permitiria estudar a gravitação quântica.

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 27/29

Buracos negros

Alguns buracos negros podem ser descritos como uma configuração de cordas ebranas fracamente acoplados.

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 28/29

Buracos negros

Alguns buracos negros podem ser descritos como uma configuração de cordas ebranas fracamente acoplados.

A entropia assim calculada fornece o mesmo valor que a entropia deBekenstein-Hawking.

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Buracos negros

Alguns buracos negros podem ser descritos como uma configuração de cordas ebranas fracamente acoplados.

A entropia assim calculada fornece o mesmo valor que a entropia deBekenstein-Hawking.

Mas não existe uma descrição análoga para o big-bang!

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 28/29

Mais informaçõesO Discreto Charme das Partículas Elementares, M.C.Batoni Abdalla, (UNESP, 2004)

O Universo Numa Casca de Noz, S. Hawking (Mandarim, 2001)

O Universo Elegante, B. Greene (Cia. das Letras, 2001)

A Dança do Universo, M. Gleiser (Cia. das Letras, 1997)

A Teoria de Cordas e a Unificacao das Forcas da Natureza – p. 29/29

Mais informaçõesO Discreto Charme das Partículas Elementares, M.C.Batoni Abdalla, (UNESP, 2004)

O Universo Numa Casca de Noz, S. Hawking (Mandarim, 2001)

O Universo Elegante, B. Greene (Cia. das Letras, 2001)

A Dança do Universo, M. Gleiser (Cia. das Letras, 1997)

Wikipedia, The Free Encyclopedia, http://en.wikipedia/wiki/Main_Page

Wikipedia, A Enciclopédia Livre, http://pt.wikipedia/wiki/Página_Principal

New Scientist, http://www.newscientist.com/news.ns

Jornal da Ciência, http://www.jornaldaciencia.org.br/index2.jsp

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Mais informaçõesO Discreto Charme das Partículas Elementares, M.C.Batoni Abdalla, (UNESP, 2004)

O Universo Numa Casca de Noz, S. Hawking (Mandarim, 2001)

O Universo Elegante, B. Greene (Cia. das Letras, 2001)

A Dança do Universo, M. Gleiser (Cia. das Letras, 1997)

Wikipedia, The Free Encyclopedia, http://en.wikipedia/wiki/Main_Page

Wikipedia, A Enciclopédia Livre, http://pt.wikipedia/wiki/Página_Principal

New Scientist, http://www.newscientist.com/news.ns

Jornal da Ciência, http://www.jornaldaciencia.org.br/index2.jsp

http://www.fma.if.usp.br/˜rivelles/

http://rivelles.blogspot.com

A Teoria de Cordas e a Unificação das Forças da Natureza, V.O. Rivelles, a serpublicado em A Física na Escola

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