Como na história, as revoluções são a força vital da ciência. Correntes borbulhantes de inquietação transbordam até que um novo regime surja para tomar o poder. Em seguida, a atenção de todos se volta para derrubar seu novo governante. O rei está morto, vida longa ao rei.

Precisamos eliminar a teoria do espaço e do tempo para dar sentido ao universo? Crédito da imagem: Tobias Roetsch

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Isso já aconteceu muitas vezes na história da física e da astronomia. Primeiro, pensamos que a Terra estava no centro do sistema solar, uma ideia que durou mais de 1.000 anos. Então Copérnico arriscou o pescoço para dizer que todo o sistema seria muito mais simples se fôssemos apenas outro planeta orbitando o sol. Apesar de muita oposição inicial, a velha imagem geocêntrica eventualmente se dobrou sob o peso das evidências do telescópio recém-inventado.

Então Newton veio explicar que a gravidade é o motivo dos planetas orbitarem o sol. Ele disse que todos os objetos com massa têm atração gravitacional entre si. De acordo com suas ideias, nós orbitamos o sol porque ele está nos puxando, a lua orbita a Terra porque nós a puxamos. Newton governou por dois séculos e meio antes de Albert Einstein aparecer em 1915 para usurpar-lo com sua Teoria da Relatividade Geral. Esta nova imagem explicava perfeitamente as inconsistências na órbita de Mercúrio e foi confirmada por observações de um eclipse solar na costa da África em 1919.

Newton teve suas idéias sobre a gravidade depois de ver uma maçã cair. Crédito da imagem: Science Photo Library

Em vez de puxar, Einstein viu a gravidade como o resultado do espaço curvo. Ele disse que todos os objetos do universo assentam em um tecido liso e quadridimensional chamado espaço-tempo. Objetos enormes, como o sol, distorcem o espaço-tempo ao seu redor e, portanto, a órbita da Terra é simplesmente o resultado de nosso planeta seguir essa curvatura. Para nós, isso parece uma atração gravitacional newtoniana. Esta imagem do espaço-tempo já está no trono há mais de 100 anos e, até agora, conquistou todos os pretendentes à sua coroa. A descoberta das ondas gravitacionais em 2015 foi uma vitória decisiva, mas, como suas antecessoras, também pode estar prestes a cair. Isso porque é fundamentalmente incompatível com a outra grande besta do zoológico da física: a teoria quântica. 

O mundo quântico é notoriamente estranho. Partículas individuais podem estar em dois lugares ao mesmo tempo, por exemplo. Somente fazendo uma observação o forçamos a 'escolher'. Antes de uma observação, podemos apenas atribuir probabilidades aos resultados prováveis. Na década de 1930, Erwin Schrödinger inventou uma forma famosa de expor o quão perversa é essa ideia. Ele imaginou um gato em uma caixa lacrada acompanhado por um frasco de veneno preso a um martelo. O martelo é conectado a um dispositivo que mede o estado quântico de uma partícula. Se o martelo esmaga ou não o frasco e mata o gato depende dessa medição, mas a física quântica diz que até que tal medição seja feita, a partícula está simultaneamente em ambos os estados, o que significa que o frasco está quebrado e intacto e o gato está vivo e morto.

Essa imagem não pode ser conciliada com um tecido liso e contínuo de espaço-tempo. "Um campo gravitacional não pode estar em dois lugares ao mesmo tempo", disse Sabine Hossenfelder, física teórica do Instituto de Estudos Avançados de Frankfurt. De acordo com Einstein, o espaço-tempo é distorcido por matéria e energia, mas a física quântica diz que matéria e energia existem em vários estados simultaneamente - elas podem estar tanto aqui como ali. "Então, onde está o campo gravitacional?" pergunta Hossenfelder. "Ninguém tem uma resposta para essa pergunta.É meio constrangedor", disse ela.

Corpos enormes distorcem o tecido do espaço e do tempo ao seu redor, levando os objetos próximos a um caminho curvo. Crédito da imagem: Take 27 Ltd

Tente usar a relatividade geral e a teoria quântica juntas e não funcionará. "Acima de uma certa energia, você obtém probabilidades maiores do que um", disse Hossenfelder. Um é a maior probabilidade possível, significa que o resultado é certo. Você não pode estar mais certo do que certo. Da mesma forma, os cálculos às vezes fornecem a resposta infinita, que não tem nenhum significado físico real. As duas teorias são, portanto, matematicamente inconsistentes. Assim, como muitos monarcas ao longo da história, os físicos estão buscando um casamento entre facções rivais para garantir a paz. Eles estão procurando por uma teoria da gravidade quântica o exercício diplomático definitivo para fazer com que esses dois rivais dividam o trono. Isso fez com que os teóricos se voltassem para algumas possibilidades estranhas.

Provavelmente, a mais famosa é a teoria das cordas. É a ideia de que partículas subatômicas, como elétrons e quarks, são feitas de minúsculas cordas vibrantes. Assim como você pode tocar cordas em um instrumento musical para criar notas diferentes, os teóricos das cordas argumentam que diferentes combinações de cordas criam partículas diferentes. A atração da teoria é que ela pode reconciliar a relatividade geral e a física quântica, pelo menos no papel. No entanto, para tirar aquele coelho específico da cartola, as cordas precisam vibrar em onze dimensões, sete a mais do que as quatro no tecido do espaço-tempo de Einstein. Ainda não há evidências experimentais de que essas dimensões extras realmente existam. "Pode ser uma matemática interessante, mas se ela descreve o espaço-tempo em que vivemos, não sabemos realmente até que haja um experimento", disse Jorma Louko, do University of Nottingham.

Uma maneira de reconciliar a relatividade geral e a teoria quântica diz que a realidade é feita de cordas vibrantes. Crédito da imagem: Science Photo Library

Parcialmente inspirados pelas falhas percebidas da teoria das cordas, outros físicos recorreram a uma alternativa chamada Gravidade Quântica de Loop (LQG). Eles podem fazer com que as duas teorias funcionem bem se eliminarem um dos princípios centrais da relatividade geral: que o espaço-tempo é um tecido liso e contínuo. Em vez disso, eles argumentam, o espaço-tempo é feito de uma série de loops entrelaçados, que tem estrutura nas menores escalas de tamanho. Isso é um pouco como um pedaço de pano. À primeira vista, parece um tecido liso. Olhe atentamente, entretanto, e verá que na verdade é feito de uma rede de pontos. Como alternativa, pense nisso como uma fotografia na tela de um computador: aumente o zoom e você verá que na verdade é feito de pixels individuais.

O problema é que, quando os físicos do LQG dizem pequeno, eles querem dizer muito pequeno. Esses defeitos no espaço-tempo só seriam aparentes no nível da escala de Planck, cerca de um trilionésimo de um trilionésimo de um trilionésimo de um metro. Isso é tão pequeno que haveria mais loops em um centímetro cúbico de espaço do que centímetros cúbicos em todo o universo observável. "Se o espaço-tempo diferisse apenas na escala de Planck, isso seria difícil de testar em qualquer acelerador de partículas", diz Louko. Você precisaria de um destruidor de átomos 1.000 trilhões de vezes mais poderoso do que o Large Hadron Collider (LHC) do CERN. Como, então, você pode detectar defeitos do espaço-tempo tão pequenos? A resposta é olhar através de uma grande área do espaço.

A luz que chega aqui dos confins do universo viajou por bilhões de anos-luz de espaço-tempo ao longo do caminho. Embora o efeito de cada defeito de espaço-tempo seja minúsculo, nessas distâncias as interações com vários defeitos podem muito bem se somar a um efeito potencialmente observável. Na última década, os astrônomos têm usado luz de rajadas de raios gama distantes para procurar evidências que apoiem o LQG. Esses flashes cósmicos são o resultado do colapso de estrelas massivas no final de suas vidas, e há algo sobre essas detonações distantes que atualmente não podemos explicar. "O espectro deles tem uma distorção sistemática", disse Hossenfelder, mas ninguém sabe se isso é algo que acontece no caminho para cá ou se tem a ver com a origem das próprias explosões. O júri ainda está ausente.

Uma imagem alternativa diz que o espaço e o tempo não são suaves, mas sim feitos de uma série de pequenos loops. Crédito da imagem: Science Photo Library

Para progredir, talvez tenhamos que dar um passo além do que dizer que o espaço-tempo não é o tecido liso e contínuo que Einstein sugeriu. De acordo com Einstein, o espaço-tempo é como um palco que permanece no lugar, estejam os atores pisando em suas pranchas ou não, mesmo se não houvesse estrelas ou planetas dançando, o espaço-tempo ainda estaria lá. No entanto, os físicos Laurent Freidel, Robert Leigh e Djordje Minic acham que essa imagem está nos impedindo. Eles acreditam que o espaço-tempo não existe independentemente dos objetos nele. O espaço-tempo é definido pela maneira como os objetos interagem. Isso tornaria o espaço-tempo um artefato do próprio mundo quântico, não algo a ser combinado com ele. "Pode parecer excêntrico", disse Minic, "mas é uma maneira muito precisa de abordar o problema."

A atração dessa teoria, chamada de espaço-tempo modular, é que ela pode ajudar a resolver outro problema antigo da física teórica a respeito de algo chamado localidade, e um fenômeno notório na física quântica chamado emaranhamento. Os físicos podem criar uma situação em que reúnam duas partículas e vinculem suas propriedades quânticas. Eles então as separam por uma grande distância e descobrem que ainda estão conectadas. Mudar as propriedades de um e o outro mudará instantaneamente, como se a informação tivesse viajado de uma para a outra mais rápido do que a velocidade da luz, em violação direta da relatividade. Einstein ficou tão perturbado com esse fenômeno que o chamou de "ação fantasmagórica à distância". 

A teoria modular do espaço-tempo pode acomodar esse comportamento redefinindo o que significa estar separado. Se o espaço-tempo emerge do mundo quântico, estar mais próximo no sentido quântico é mais fundamental do que estar próximo no sentido físico. “Diferentes observadores teriam diferentes noções de localidade”, disse Minic, “depende do contexto”. É um pouco como nosso relacionamento com outras pessoas. Podemos nos sentir mais próximos de um ente querido distante do que do estranho que mora na rua. "Você pode ter essas conexões não locais, desde que sejam bastante pequenas", disse Hossenfelder.

Albert Einstein dispensou a imagem newtoniana da gravidade como uma força, substituindo-a pelo espaço-tempo. Crédito da imagem: Science Photo Library

Freidel, Leigh e Minic têm trabalhado em sua ideia nos últimos cinco anos e acreditam que estão progredindo lentamente. "Queremos ser conservadores e fazer as coisas passo a passo", disse Minic, "mas é tentador e emocionante". É certamente uma abordagem nova, que visa "gravitar" o mundo quântico em vez de quantificar a gravidade como no LQG. No entanto, como acontece com qualquer teoria científica, ela precisa ser testada. No momento, o trio está trabalhando em como encaixar o tempo em seu modelo.

Tudo isso pode soar incrivelmente esotérico, algo com que apenas os acadêmicos deveriam se preocupar, mas poderia ter um efeito mais profundo em nossa vida cotidiana. "Sentamos no espaço, viajamos através do tempo, e se algo mudar em nossa compreensão do espaço-tempo, isso terá impacto não apenas em nossa compreensão da gravidade, mas da teoria quântica em geral", disse Hossenfelder. "Todos os nossos dispositivos atuais só funcionam por causa da teoria quântica. Se entendermos melhor a estrutura quântica do espaço-tempo, isso terá um impacto nas tecnologias futuras, talvez não em 50 ou 100 anos, mas talvez em 200", disse ela.

O atual monarca está ficando velho e um novo pretendente está atrasado, mas não podemos decidir qual das muitas opções é a mais provável de sucesso. Quando a fizermos, a revolução resultante poderá render frutos não apenas para a física teórica, mas para todos.

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Fonte: Live Science