A busca por uma teoria unificada: por que a gravidade quântica ainda revela-se ilusória para os físicos modernos

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Por Anna Fava
Publicado no jIAPS

… [A] visão do universo organizado em harmonias de sons e relações não é nova descoberta. Hoje, os físicos estão simplesmente provando que o que chamamos de um objeto… um átomo, uma molécula, uma partícula, é apenas uma aproximação, uma metáfora. No nível subatômico, dissolve-se em uma série de interconexões como acordes da música. é lindo.”

“Sim, mas há limites, não há? Quero dizer, entre você e eu, por exemplo. Somos dois corpos separados, não somos? Isso não é uma ilusão. É? Você está dizendo que há uma conexão física… entre mim e você, e você e a parede atrás de você… e o ar e este banco?.”

“Sim. No nível subatômico, há uma troca contínua de matéria e energia entre a minha mão e esta madeira, entre a madeira e o ar, e até mesmo entre você e eu. Quero dizer uma verdadeira troca de fótons e elétrons.

Em última análise, quer gostemos ou não… nós somos todos parte de uma teia inseparável de relações.”

[Mindwalk, Bernt Capra]

Uma breve visão sobre o aspecto histórico da física moderna

Nestes dias de conflito entre os estudos antigos e modernos, certamente deve haver algo a ser dito para um estudo que não começou com Pitágoras e não vai acabar com Einstein, mas é o mais antigo e mais jovem de todos.”

[A Mathematician’s Apology, G.H.Hardy]

A ideia do átomo foi prevista há muito tempo por alguns filósofos gregos antigos, entre eles Leucipo e seu aluno Demócrito. No entanto, foi veementemente criticada por vários cientistas europeus em meados do século 19. Boltzmann sofreu ostracismo por parte da comunidade científica por tentar reintroduzir esse conceito como base de toda a matéria, que, ironicamente, temos como uma noção muito convencional nestes dias. Há uma tendência no mundo científico para as velhas ideias serem regeneradas e trazidas a tona sob várias formas em prazos distintos, ou em outras palavras, para serem repetidas. Na verdade, a maioria das grandes ideias tende a ser provocada através de reflexões anteriores sobre algum trabalho inspirador!

A maravilhosa contribuição de Einstein foi alterar a suposição errada de que a simultaneidade estava bem definida. A história da física está repleta de casos em que um cientista discerne uma hipótese errônea na fusão de duas teorias em conjunto, de modo a representar ambas (às vezes por meio de empréstimos de mais uma teoria).

O sonho de Maxwell da Unificação estendida

“‘Eu tenho mantido por muito tempo uma opinião’, diz o ilustre experimentalista, ‘quase como uma convicção, em comum, creio eu, com muitos outros amantes do conhecimento natural, que as várias formas em que as forças da matéria se manifestam têm uma origem comum; ou, em outras palavras, são assim diretamente relacionadas e mutuamente dependentes, que elas sejam transformáveis, umas nas outras, como se possuíssem equivalentes de energia na sua ação’.”

[Vril, The Power of the Coming Race, Sir Edward Burton-Lytton]

Perto da virada do século 19, foi amplamente difundido que os grandes problemas da física tinham sido resolvidos e o que restou para decodificação foram alguns detalhes. Um desses “detalhes” era conhecido como a catástrofe ultravioleta, que surgiu a partir de aplicações de física estatística de sistemas complexos, tais como a distribuição de energia entre as diferentes frequências em radiação de corpos negros. Um corpo negro é aquele que absorve perfeitamente toda a radiação incidente e, em seguida, libera toda essa radiação. O quebra-cabeça era essencialmente um produto de atrito entre as previsões teóricas e a observação empírica: foi previsto que uma quantidade infinita de energia estaria concentrada na maior frequência, mas isso ainda não tinha sido observado experimentalmente. A reatribuição curiosa deste problema por Max Planck explicou a aparente dicotomia. Ele descartou a hipótese da física clássica de que a energia era irradiada continuamente dentro e fora do corpo negro e, em vez disso, sugeriu que a radiação era emitida (ou absorvida) em pacotes discretos de energia chamados de quanta, cujo conteúdo de energia é proporcional à frequência da radiação, onde a constante de proporcionalidade foi considerada como uma constante universal da natureza, hoje amplamente conhecida como a constante de Planck.

A ideia de quanta foi explorada por um então jovem funcionário de patentes, Albert Einstein, enquanto ponderava sobre mais um mistério sem solução, o efeito fotoelétrico. Einstein percebeu que se considerasse o raio de luz como um feixe de quanta persistente, o mistério aparente desapareceria devido à afirmação de Planck. A colisão de um fóton com a superfície metálica iria resultar na emissão de um elétron a partir da superfície apenas se o fóton original excedesse certa frequência (frequência de limiar). Tais descobertas foram apenas o começo de uma era verdadeiramente maravilhosa.

imagem11A estranheza da Mecânica Quântica

A libélula vermelha paira acima de um remanso do rio, suas asas se movendo tão rápido que o olho não vê asas em movimento, mas uma distribuição de probabilidade de onde as asas poderiam estar, como orbitais de elétrons: um efeito da mecânica quântica que talvez explique por que o inseto aparentemente pode se teletransportar de um lugar para outro, desaparecendo a partir de um ponto e reaparecendo um par de metros de distância, sem parecer que passar pelo espaço intermediário.”

[Cryptonomicon, Neal Stephenson]

Conforme os físicos sondavam mais profundamente a natureza do átomo para descobrir o comportamento das partículas no nível subatômico, eles descobriram algumas coisas realmente estranhas que pareciam contradizer toda intuição. Uma das primeiras experiências com resultados bizarros foi o experimento da dupla fenda, que em termos de comportamento clássico poderia ser explicado como a partícula se comportando tanto como partícula quanto como uma onda. Entre os outros resultados estranhos da mecânica quântica estava o Princípio da Incerteza de Heisenberg, que descreve a imprecisão envolvida na tentativa de detectar o momento de uma partícula em uma posição específica, simultaneamente. Tais cálculos probabilísticos inerentes relacionam-se com o problema de medição que está além do fato de que os cientistas usam equipamento clássico para avaliar fenômenos microscópicos.

imagem22Alguém pode perguntar: mas como é possível que a natureza descontínua dos níveis de energia no mundo quântico deve ser conciliada com o temperamento contínuo do mundo macroscópico? O mundo bizarro da mecânica quântica tem sido considerado profundamente chocante até mesmo para os físicos, e muito mais para os leigos. Mas, talvez, isso é apenas porque, como seres humanos, estamos inseridos em uma estrutura macroscópica tridimensional e não familiarizados com a escala de Planck de partículas quânticas. Assim, surge a confusão na linguagem e equívocos de ideias, como a dualidade onda-partícula, o experimento mental do gato de Schrödinger e o paradoxo EPR como corolário da interpretação de Copenhague. Há também toda uma malha de confusão sobre as interpretações divergentes da QM.

O quebra-cabeça da Gravidade Quântica: rumo a uma mudança de paradigma?

“… O que realmente deve ser discutido é ‘a interpretação da mecânica clássica’, isto é, como pode o mundo clássico que vemos – que é apenas uma aproximação da realidade subjacente, que por sua vez é a mecânica quântica na natureza – ser entendido em termos das variáveis adequadas de mecânica quântica? Se insistirmos em interpretar os fenômenos quânticos em termos de conceitos clássicos, inevitavelmente encontraremos fenômenos que parecem paradoxais, ou impossíveis.”

 [The Physics of Star Trek, Lawrence Krauss]

O problema em questão traduz necessariamente o fato de que os formalismos da mecânica quântica e relatividade geral são incompatíveis uns com os outros: QM é expressa usando uma variável de tempo externa, que é discordante com a GR já que este último não apela para o conceito mecanicista newtoniano de tempo. Newton afirmou que o fluxo do tempo era o mesmo para todos. Na verdade, uma das vitórias da relatividade era sua ilustração de que a passagem do tempo não era a mesma para todos os observadores, mas depende da velocidade do sujeito; a diferença seria essencialmente insignificante a partir de aplicações de Newton em pequenas velocidades. Na GR, os objetos não são localizados com relação a alguma estrutura temporal ou espacial de referência (não existe uma estrutura de fundo fixo). A localização é única no que diz respeito ao campo e não em relação a algum sistema arbitrário de coordenadas. Por outro lado, em QM o campo dinâmico é quantizado e também segue estados de superposição probabilísticos. A questão é assim: Como podemos descrever completamente o espaço-tempo quântico?

imagem33Explorando a Gravidade Quântica: reconsiderando a noção de gravidade

Tudo em nossa experiência do passado nos diz que as duas descrições da Natureza que atualmente usamos devem ser aproximações, casos especiais que surgem como limites adequados de uma única teoria universal. Essa teoria deve ser baseada em uma síntese dos princípios básicos da relatividade geral e da mecânica quântica.

Esta seria a teoria quântica da gravidade que estamos buscando.”

[The Ashgate Companion to Contemporary Philosophy of Physics, Abhay Ashtekar]

A busca da gravidade quântica é dividida principalmente em três linhas principais de pesquisa, conhecidas como covariante, canônica e soma das histórias. A rota de investigação inicial foi a construção da Teoria Quântica de Campos, considerando as flutuações métricas sobre um espaço plano de Minkowski (uma vez que este é o espaço métrico que nós mais convenientemente utilizamos para considerações relativistas), que levou à teoria das cordas. Uma consequência dessa teoria é o multiverso, onde a concepção inicial do nosso universo não seria descrita por uma inflação cósmica a partir do aparentemente nada (big bang), mas sim da fusão de dois universos em um ou da separação de um universo em dois universos bebês. O grande dilema sobre esta teoria é que não há predições testáveis que possam ser verificadas, por isso apesar do fato de que, teoricamente, ele satisfaz a unificação de QM e GR, nós não sabemos ainda se ela nos dá uma descrição do universo físico mesmo em situações extremas, como a singularidade de um buraco negro.

A pesquisa canônica envolvida no desenvolvimento de uma teoria da gravidade quântica foi baseada diretamente na formulação geométrica de Einstein, conhecida como Gravidade Quântica de Loop. Nesta teoria, pode-se considerar o espaço como uma fina rede de loops finitos para que a estrutura do espaço-tempo seja descontínua. Mas, ao contrário da teoria das cordas, a LQG faz algumas previsões definitivas, o que implica que pode muito bem ser testada antes que a teoria das cordas seja. As implicações cosmológicas dessa teoria é que não há nenhuma singularidade do big bang; em vez disso, a história do universo pode ser rastreada até ao passado em uma regressão infinita conhecida como Big Bounce.

imagem44A soma das histórias (ou caminho do formalismo integral) compreende as ideias de Feynman e Hawking principalmente através da gravitação quântica euclidiana. Ainda há muito trabalho inacabado nesta abordagem. Além disso, houve outras ideias que trabalham ao lado dessas três mais principais, mas até agora nenhuma delas foi desenvolvida em uma teoria completa da gravidade quântica. Peter Bergmann, um dos colaboradores de Einstein, disse isto durante a Conférence internationale sur les théories relativistes de la gravitation em 1963:

“Tendo em vista as grandes dificuldades deste programa, eu considero uma coisa muito positiva que tantas abordagens diferentes estejam sendo exercidas sobre o problema. Para ter certeza, esperamos que a abordagem converja para um objetivo.”

Embora a moda na física tenha sido a de entender a gravidade em nível atômico, deve-se apreender que alguns conceitos utilizados para descrever o mundo natural seriam deficientes em diferentes escalas, por exemplo, a água é molhada, mas suas moléculas não seriam descritas como tal. Só porque uma teoria faz previsões bastante precisas para os átomos, por exemplo, isso não significa que podemos estender esta teoria para aplica-la à escala planetária. O mesmo refere-se a gravidade; percebemos os efeitos da gravidade agindo sobre as massas, mas ele está de fato presente na escala atômica? Podemos medir a “curvatura do espaço-tempo” infligido por um par de átomos? Neste sentido, seria considerado como um fenômeno emergente. Erik Verlinde, que vem trabalhando em uma nova teoria da gravidade, abriga tais ideias. De modo que, em vez de recolher informações sobre o comportamento de cada partícula específica – o que seria impossível por causa da incerteza envolvida – pode-se estudar o comportamento de todo o gás ou o sistema como um todo.

Reconsiderando a busca por uma teoria unificada

Muitas vezes pensamos que, quando nós completamos nosso estudo de um, sabemos tudo sobre dois, porque ‘dois’ é ‘um mais um’. Esquecemos que ainda temos que fazer um estudo sobre o ‘mais’.”

[fonte desconhecida, Arthur Eddington]

O rápido acúmulo de conhecimento científico nos últimos séculos pode ser explicado por causa da especialização – análise detalhada de uma área específica de estudo. No entanto, os esforços estão sendo gerados para uma unificação de ideias, sintetizando esses ramos distintos da física em um todo integrado. Embora este esforço deva ser altamente estimado, deve-se afirmar que esses esforços serão prolongados a menos que se reflita sobre o problema em questão. Uma questão que ainda permanece sem resposta é: são as quatro forças fundamentais simplesmente diferentes aspectos de uma entidade fundamental, da mesma forma que a eletricidade e o magnetismo se revelaram manifestações de um mesmo espetáculo?

Outro mistério curioso é o fato de que a gravidade é muito mais fraca do que as outras três forças, ou seja, a força fraca, a força forte e a força eletromagnética. No entanto, o Modelo Padrão não foi capaz de explicar a gravidade na menor das escalas; apesar de uma nova partícula hipotética, o gráviton, explicar a gravidade, ela não foi encontrado até o momento, apesar de incontáveis experiências. As outras forças já foram integradas através do Modelo Padrão, embora a gravidade fuja de nós ainda no nível microscópico.

Por fim, enquanto a definição de tudo descrita pelo Dicionário Oxford de Inglês incorpora ‘todas as coisas’, a física atual se preocupa apenas com o universo comum, o que equivale a 4,9% da massa e energia total do universo conhecido. Embora essas afirmações pareçam beirar o pessimismo, elas precisam ser levadas em consideração se quisermos encontrar uma verdadeira compreensão genérica do mundo.

imagem55Nota:

Embora esteja bastante claro, eu declaro essas siglas para aqueles que estão lendo o artigo e que não estão familiarizados com determinadas siglas: QM: Mecânica Quântica, GR: Relatividade Geral, LQG: Gravidade Quântica de Loop.

Referências:

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