Podemos unificar a mecânica quântica e a gravidade?

Extraído da edição de 25º aniversário da Physics World, este artigo examina uma das cinco maiores questões não respondidas na física, conforme selecionadas pelos editores da revista.

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Imagem: Stanford Linear Accelerator Center.

Por Sabine Hossenfelder
Publicado na Physics World

A incompatibilidade da relatividade geral e da mecânica quântica é talvez o mais importante problema aberto da física teórica. Sabine Hossenfelder descreve como os físicos estão trabalhando para unir essas duas perspectivas em uma teoria da gravidade quântica.

Se você sabe de uma coisa sobre a mecânica quântica, é provável que a matéria quântica possa estar aqui e ali ao mesmo tempo — pode estar em uma superposição. E se você sabe uma coisa sobre gravidade, é provavelmente que a matéria atrai outra matéria — ela tem um campo gravitacional. Assim, parece que o campo gravitacional da matéria quântica também deveria estar aqui e ali ao mesmo tempo. No entanto, a relatividade geral de Albert Einstein, que descreve a gravidade, é uma teoria clássica. Ensinou-nos muitas lições e pode fazer muitas coisas, mas uma coisa que não pode fazer é descrever campos gravitacionais em superposições quânticas. Para isso, precisamos de uma versão quantizada da relatividade geral — uma teoria da gravidade quântica.

E se você sabe uma coisa sobre a gravidade quântica, é provável que ninguém saiba como isso funciona.

Temos, no entanto, requisitos para a teoria bem sucedida da gravidade quântica.

O que queremos da gravidade quântica?

Para começar, uma teoria da gravidade quântica deve nos dizer como a matéria quântica gravita, especialmente se a gravidade for forte. Enquanto a gravidade for fraca, poderemos nos livrar da quantização da mesma forma que quantificamos outras interações. Mas essa quantização de campo fraco deixa de fazer sentido quando a gravidade é forte, como quando partículas altamente energéticas colidem em energias tão altas que as próprias partículas têm uma forte interação gravitacional.

A gravidade quântica também deve nos dizer o que aconteceu no universo primitivo. Segundo a relatividade geral, nosso universo começou em uma singularidade. Esse resultado não físico indica que precisamos de uma descrição mais fundamental do espaço e do tempo naquela época. Como a gravidade era forte no início do universo, os efeitos quânticos da gravidade não podem ser negligenciados ao descrever essa fase.

A relatividade geral também prediz singularidades quando a matéria colapsa em buracos negros, o que leva ao que é conhecido como o paradoxo da perda de informação do buraco negro. Diz respeito ao fato de que buracos negros emitem radiação térmica por causa de efeitos quânticos, não incluindo efeitos gravitacionais quânticos. Mas quando o buraco negro se evaporou completamente, tudo o que resta é a radiação térmica, independentemente do que formou o buraco negro. A informação é destruída neste processo irreversível, mas como processos irreversíveis não podem acontecer na mecânica quântica como a conhecemos, isso representa uma inconsistência. A gravidade quântica deve explicar o que acontece com as informações nos buracos negros.

Juntamente com a solução desses problemas espinhosos, a bem-sucedida teoria da gravidade quântica também deve ser capaz de reproduzir todas as realizações da relatividade geral e o Modelo Padrão da física de partículas. E deve fazer previsões testáveis ​​que nos dão confiança de que temos a descrição correta da natureza.

O que aprendemos até agora?

Os físicos estão trabalhando em várias abordagens para a gravidade quântica: teoria das cordas e gravidade quântica em loop; triangulação dinâmica causal e gravidade segura assintoticamente; conjuntos causais; teoria de campo de grupo; gravidade emergente e induzida; e algumas outras agendas de pesquisa comparativamente pequenas. A teoria das cordas atualmente tem a pontuação mais alta para atender aos requisitos acima, seguida pela gravidade quântica em loop e pela gravidade segura assintoticamente.

A mecânica quântica nas bordas como pode estar lá em superposições quânticas, e a relatividade geral as seções cônicas as têm um campo gravitacional. Mas qual é o campo gravitacional de uma superposição quântica? Essa pergunta não é respondida no momento. Para isso, é necessário desenvolver uma teoria da gravidade quântica. Créditos: Sabine Hossenfelder.

Do lado de fora, a pesquisa sobre qualquer uma dessas abordagens da gravidade quântica deve ser como observar a construção de um túnel. Por muito tempo, nada acontece, exceto que ocasionalmente uma ferramenta entra e os escombros saem. Mas entre e você verá um ramo de atividade. Recentemente, muito progresso foi feito em cada uma das abordagens — progresso que avançou consideravelmente nossa compreensão do problema. No final, porém, um túnel só é útil uma vez que um avanço é feito.

Embora ainda não tenha sido feito nenhum progresso, estamos aprendendo. Nós aprendemos que propriedades específicas da gravidade quântica aparecem em várias das abordagens, se em diferentes manifestações. O exemplo mais conhecido pode ser holografia — a codificação da informação contida em um volume no limite desse volume. A existência de uma escala de tamanho mínimo é outra propriedade desse tipo que aparece em diferentes abordagens. Parece que, em última análise, as flutuações gravitacionais quânticas nos impedem de resolver as estruturas arbitrariamente bem. Uma descoberta mais recente é que a dimensão do espaço-tempo parece se tornar menor em curtas distâncias, um comportamento surpreendente que também foi encontrado em diferentes abordagens.

Tenho poucas dúvidas de que seremos capazes de unificar a mecânica quântica e a gravidade; alguns de meus colegas podem até argumentar que já fizemos isso. Mas não estamos procurando por uma teoria da gravidade quântica. Estamos procurando a teoria da gravidade quântica — a teoria que descreve o mundo ao nosso redor. Fazer conexões com a observação é, portanto, não apenas importante, mas também necessário para que a gravidade quântica seja científica.

O que vem depois?

Até agora, não temos nenhuma evidência experimental para a gravidade quântica. Mas durante a última década ficou claro que é tecnologicamente possível, mesmo na ausência de uma teoria completa, buscar evidências de propriedades gerais esperadas da gravidade quântica — como as mencionadas acima, e mais ainda, como violações de certas simetrias. Isso pode ser feito, e já foi feito com sucesso em alguns casos, através do uso de modelos fenomenológicos. Tais modelos parametrizam efeitos e fazem conexões com observações. As observações podem então ser usadas para aprender quais propriedades a teoria ainda a ser encontrada pode ter e quais não podem ter. Eu acho que esta orientação experimental é essencial para a construção da teoria da gravidade quântica, e é o caminho para o progresso.

Como a gravidade é realmente uma consequência do espaço-tempo ser curvo, estamos procurando uma teoria da natureza quântica do espaço e do próprio tempo. É a mais fundamental das questões atualmente abertas, no sentido de que diz respeito aos ingredientes mais básicos de nossas teorias. Além de revolucionar nossa compreensão do espaço, tempo e matéria, a gravidade quântica provavelmente também avançará significativamente em outras áreas. A natureza do tempo e sua flecha unidirecional são quebra-cabeças profundamente interligados com a gravidade quântica, e assim é a física do universo primordial. Além disso, acredito que aprenderemos uma lição sobre quantização que tem o potencial de melhorar nossa capacidade de manipular a matéria quântica.

O canteiro de obras do túnel pode não parecer muito, mas fique tranquilo: assim que um avanço for feito, você verá tráfego pesado na nova rota.

Tradução fornecida por Elton Wade a partir de seu projeto de divulgação científica.

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