Existem unidades fundamentais do espaço-tempo em alguma escala insondavelmente minúscula?

A relatividade geral descreve a gravidade como a deformação do espaço-tempo. De acordo com a mecânica quântica, as forças da natureza vêm em pequenos pedaços discretos conhecidos como quanta. A gravidade é uma força, então o próprio espaço-tempo é quantizado? Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech

Conteúdo relacionado:

• Podemos ver correlações quânticas na escala macroscópica?
• Por que a gravidade não é como as outras forças?
• No reino quântico, nem mesmo o tempo flui como você poderia esperar
• O que é Gravidade Quântica?
• Teoria do Campo Unificado: Amarrando tudo junto

Unificar a mecânica quântica com a relatividade geral é o maior sonho, ou pesadelo, da física. Seria uma maneira de finalmente descrever a força da gravidade com as ferramentas da mecânica quântica, desvendando como a gravidade funciona quando é muito forte e em escalas muito pequenas.

A teoria da relatividade geral de Einstein nos diz que a deformação do espaço e do tempo é o que experimentamos como a força da gravidade. A mecânica quântica nos diz que o que experimentamos como forças da natureza realmente vem em pedaços discretos e minúsculos, conhecidos como quanta.

Então, se a gravidade é a curvatura do espaço-tempo, a gravidade é uma força e todas as forças são quantizadas, talvez o próprio espaço-tempo venha em pequenos blocos discretos. Talvez existam unidades fundamentais de espaço-tempo em alguma escala insondavelmente minúscula.

Bem-vindo à teoria da gravidade quântica em loop.

Desaparecendo em segundo plano

Uma das coisas mais irritantes sobre as quais a relatividade geral e a mecânica quântica discordam é o papel que o espaço-tempo desempenha na física. Para a mecânica quântica, o espaço-tempo é apenas um pano de fundo, um palco, um piso, um recipiente para todas as interações interessantes que compõem a física do universo. Sim, esse estágio pode dobrar e deformar, e essa dobra e deformação afetam os caminhos das partículas, mas é isso. Toda a física acontece "em cima" desse espaço-tempo de fundo.

Mesmo a teoria das cordas, a suposta "teoria de tudo" na qual todas as partículas e forças são apenas pequenos pedaços de cordas vibrantes, assumindo a existência de um espaço-tempo de fundo para trabalhar. Então isso a torna uma teoria de... quase tudo.

Para a relatividade geral, no entanto, o espaço-tempo não é um cenário de fundo para os atores; é o ator. A relatividade geral não assume um pano de fundo; ele a cria. A relatividade geral é a linguagem da deformação do espaço-tempo, e essa mesma deformação gera a física da gravidade.

Então, em nossa busca para unir a mecânica quântica com a gravidade, talvez devêssemos levar a teoria de Einstein ao pé da letra. Se a gravidade é simplesmente a mecânica do espaço-tempo, então, para buscar uma teoria quântica da gravidade, precisamos realmente buscar uma teoria quântica do espaço-tempo. Se conseguirmos quebrar essa quantização, então, por padrão, acabaremos com uma teoria quântica da gravidade e o problema será resolvido.

Indo para um loop

Esta é a abordagem conhecida como gravidade quântica em loop. A palavra "loop" aparece no nome porque a base da teoria é baseada em uma reescrita da relatividade geral de Einstein em termos de linhas (em vez de pontos, como geralmente é feito). Não altera nada da física, mas facilita alguns cálculos, especialmente quando se trata de quantizar o espaço-tempo.

O que significa quantizar o espaço-tempo? Significa que há uma unidade fundamental, um pedaço discreto, de espaço-tempo que fica em alguma escala imperceptivelmente pequena. Se você ampliasse essa tela, as curvas suaves e as bordas limpas das letras seriam reveladas como um grande número de pequenos quadrados, pixels.

Da mesma forma, se você ampliasse o espaço-tempo, veria que o tempo não avança no futuro continuamente, mas em pequenos tique-taques rápidos de um relógio discreto. Quando você se move, não seria um movimento suave; consistiria apenas em passos gaguejantes de um pixel de espaço-tempo para outro.

O maior benefício dessa quantização do espaço-tempo é que as singularidades simplesmente desaparecem. Singularidades aparecem na relatividade geral de Einstein como lugares onde as densidades vão infinitamente altas e a gravidade se torna infinitamente forte. Sabemos que isso realmente significa que nossa compreensão da física está saindo do limite e que não temos ideia do que está acontecendo nas profundezas de um buraco negro ou no início do Big Bang, onde as singularidades aparecem.

Na gravidade quântica em loop, no entanto, essas singularidades são substituídas por pedaços muito, muito minúsculos de matéria ultradensa (e, presumivelmente, ultraexótica). Simplesmente baniríamos esses demônios de singularidade do nosso universo e os substituiríamos por algo compreensível.

Não é um círculo perfeito

Como são esses pedaços ultradensos de matéria? Bem, não temos certeza. Veja, a gravidade quântica em loop não é exatamente completa. Embora tenhamos conseguido desenvolver um pouco da matemática do espaço-tempo "pixelada" usando uma ferramenta matemática chamada redes de spin, o maior problema é que a gravidade quântica em loop é uma teoria da gravidade forte em pequenas escalas, que também deve ser automaticamente uma teoria da gravidade fraca em escalas normais. Isso significa que, se você usar a matemática da gravidade quântica em loop em situações não malucas, como a Terra orbitando o sol, você deve obter os mesmos resultados que obteria da relatividade geral ou da física newtoniana antiquada.

Em outras palavras, a gravidade quântica em loop deve conter em si a relatividade geral de Einstein, e ainda não sabemos se contém. Você deve ser capaz de diminuir o zoom da visão pixelizada do espaço-tempo quântico nas menores escalas e recuperar o tecido suave e ondulante do espaço-tempo da relatividade geral, e ninguém sabe como fazer isso.

Há outras questões também. A relatividade especial nos diz que as percepções de tempo e espaço dependem de nossa velocidade, mas que nossa percepção da física fundamental deve ser a mesma. Mas observadores diferentes terão visões diferentes dos tamanhos dos pixels quantizados do espaço-tempo, o que alterará radicalmente suas visões da física. Então isso é um problema.

A gravidade quântica em loop está incompleta e pode não funcionar. Assim como sua prima a teoria das cordas, que também afirma ser uma teoria quântica da gravidade, a matemática da gravidade quântica em loop não está revelando nenhuma solução viável. Algum futuro cientista poderia decifrar o código, abrindo caminho para uma compreensão completa da força da gravidade. Ou, poderíamos apenas estar... esperando... andando em círculos.

♦ Todos os artigos baseados em tópicos são determinados por verificadores de fatos como corretos e relevantes no momento da publicação. Texto e imagens podem ser alterados, removidos ou adicionados como uma decisão editorial para manter as informações atualizadas.

Junte-se aos nossos Canais Espaciais para continuar falando sobre o espaço nas últimas missões, céu noturno e muito mais! Siga-nos no facebook e no twitter. Inscreva-se no boletim informativo. E se você tiver uma dica, correção ou comentário, informe-nos aqui ou pelo e-mail: gaiaciencia@gaiaciencia.com.br

Referência:

SUTTER, Paul M. Loop quantum gravity: Does space-time come in tiny chunks? Space, 23, fev. 2022. Disponível em: <https://www.space.com/loop-quantum-gravity-space-time-quantized>. Acesso em: 24, fev. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.