Artigo de referência: Uma visão geral sobre a gravidade quântica.

A gravidade quântica tenta explicar como a gravidade funciona nas menores partículas do universo. Crédito da imagem: Shutterstock

A gravidade foi a primeira força fundamental que a humanidade reconheceu, mas continua a ser a menos compreendida. Os físicos podem prever a influência da gravidade nas bolas de boliche, estrelas e planetas com uma precisão extraordinária, mas ninguém sabe como a força interage com as partículas minúsculas, ou quanta. A busca de quase um século por uma teoria da gravidade quântica, uma descrição de como a força funciona para as menores peças do universo - é impulsionada pela simples expectativa de que um livro de regras gravitacionais deve governar todas as galáxias, quarks e tudo o que está entre eles. [Estranhos Quarks e Muons, Oh meu Deus! As partículas mais ínfimas da natureza dissecadas (infográfico)]

"Se não houver teoria [da gravidade quântica], o universo é apenas um caos. É apenas aleatório", disse Netta Engelhardt, uma física teórica do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. "Não posso nem dizer que seria caótico ou aleatório porque esses são, na verdade, processos físicos legítimos."

O limite da relatividade geral

No cerne do problema mais espinhoso da física teórica está um choque entre os dois maiores triunfos do campo. A teoria da relatividade geral de Albert Einstein substituiu a noção de Isaac Newton de atração simples entre objetos por uma descrição da matéria ou energia curvando o espaço e o tempo ao seu redor, e os objetos próximos seguindo esses caminhos curvos, agindo como se estivessem atraídos um pelo outro. Nas equações de Einstein, a gravidade é a forma do próprio espaço. Sua teoria manteve a descrição tradicional de um universo clássico e suave, um onde você sempre pode ampliar ainda mais para um pedaço menor de espaço. 

A relatividade geral continua a vencer todos os testes que os astrofísicos lançam sobre ela, incluindo situações que Einstein nunca poderia ter imaginado. Mas a maioria dos especialistas esperam que a teoria de Einstein seja insuficiente algum dia, porque o universo parece instável, não regular. Planetas e estrelas são, na verdade, coleções de átomos, que, por sua vez, são formados por elétrons e feixes de quarks. Essas partículas se unem ou se separam trocando outros tipos de partículas, dando origem a forças de atração e repulsão. 

Forças elétricas e magnéticas, por exemplo, vêm de objetos que trocam partículas conhecidas como fótons virtuais. Por exemplo, a força que gruda um ímã na geladeira pode ser descrita como um campo magnético clássico e suave, mas os detalhes do campo dependem das partículas quânticas que o criam. Das quatro forças fundamentais do universo (gravidade, eletromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca), apenas a gravidade carece da descrição "quântica". Como resultado, ninguém sabe ao certo (embora haja muitas ideias) de onde vêm os campos gravitacionais ou como as partículas individuais agem dentro deles. 

A estranha força para fora

O problema é que, embora a gravidade nos mantenha presos ao solo e geralmente atue como uma força, a relatividade geral sugere que é algo mais - a forma do próprio espaço. Outras teorias quânticas tratam o espaço como um pano de fundo plano para medir a distância e a velocidade do voo das partículas. Ignorar a curvatura do espaço para as partículas, funciona porque a gravidade é muito mais fraca do que as outras forças, porque o espaço parece plano quando ampliado em algo tão pequeno quanto um elétron. Os efeitos da gravidade e da curvatura do espaço são relativamente óbvios em níveis mais afastados, como planetas e estrelas. Mas quando os físicos tentam calcular a curvatura do espaço em torno de um elétron, por mais leve que seja, a matemática se torna impossível. 

No final da década de 1940, os físicos desenvolveram uma técnica, chamada renormalização, para lidar com os caprichos da mecânica quântica, que permitem que um elétron tempere uma viagem enfadonha em uma variedade infinita de recursos. Pode, por exemplo, disparar um fóton. Esse fóton pode se dividir em um elétron e seu gêmeo de antimatéria, o pósitron. Esses pares podem então disparar mais fótons, que podem se dividir em mais gêmeos e assim por diante. Enquanto um cálculo perfeito exigiria a contagem da infinita variedade de viagens de elétrons em estradas, a renormalização permitiu que os físicos reunissem as possibilidades indisciplinadas em alguns números mensuráveis, como a carga e a massa do elétron. Eles não podiam prever esses valores, mas podiam inserir resultados de experimentos e usá-los para fazer outras previsões, como para onde o elétron está indo.

A renormalização para de funcionar quando partículas de gravidade teórica, chamadas grávitons, entram em cena. Os grávitons também têm sua própria energia, o que cria mais deformação do espaço e mais grávitons, o que cria mais deformação e mais grávitons e assim por diante, geralmente resultando em uma confusão matemática gigante. Mesmo quando os físicos tentam empilhar alguns dos infinitos para medir experimentalmente, eles acabam se afogando em um número infinito de pilhas. 

"Significa efetivamente que você precisa de um número infinito de experimentos para determinar qualquer coisa", disse Engelhardt, "e essa não é uma teoria realista."

A teoria da relatividade geral diz que o universo é um tecido liso, e a mecânica quântica diz que é uma confusão irregular de partículas. Os físicos dizem que não pode ser as duas coisas. Crédito da imagem: Shutterstock

Na prática, essa falha em lidar com a curvatura em torno das partículas torna-se fatal em certas situações, em que muita massa e energia se retorcem tão fortemente que até mesmo os elétrons e seus semelhantes não podem deixar de notar, como é o caso dos buracos negros. Mas quaisquer partículas muito próximas, ou pior, dentro dos poços do espaço-tempo certamente conhecem as regras de engajamento, mesmo que os físicos não. 

"A natureza encontrou uma maneira de fazer os buracos negros existirem", escreveu Robbert Dijkgraaf, diretor do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, Nova Jersey, em uma publicação para o instituto. "Agora cabe a nós descobrir o que a natureza sabe e nós ainda não." 

Trazendo a gravidade para a dobra

Usando uma aproximação da relatividade geral (Engelhardt chamou de "Band-Aid"), os físicos desenvolveram uma noção de como os grávitons podem ser, mas ninguém espera ver um tão cedo. Um experimento mental sugere que levaria 100 anos de experimentação por um colisor de partículas tão pesado quanto Júpiter para detectá-lo. Portanto, enquanto isso, os teóricos estão repensando a natureza dos elementos mais fundamentais do universo. 

Uma teoria, conhecida como gravidade quântica em loop, visa resolver o conflito entre as partículas e o espaço-tempo dividindo o espaço e o tempo em pequenos pedaços, uma resolução final além da qual nenhum zoom pode ocorrer. 

A teoria das cordas, outra estrutura popular, adota uma abordagem diferente e troca partículas por cordas semelhantes a fibras, que se comportam melhor matematicamente do que suas contrapartes pontuais. Essa mudança simples tem consequências complexas, mas um bom recurso é que a gravidade simplesmente foge da matemática. Mesmo que Einstein e seus contemporâneos nunca tivessem desenvolvido a relatividade geral, disse Engelhardt, os físicos teriam tropeçado nela mais tarde, por meio da teoria das cordas. "Acho isso muito milagroso", disse ela.

E os teóricos das cordas descobriram mais indícios de que estão em um caminho produtivo nas últimas décadas, de acordo com Engelhardt. Simplificando, a própria ideia de espaço pode estar distraindo os físicos de uma estrutura mais fundamental do universo. 

Os teóricos descobriram no final da década de 1990 que as descrições de um universo simples em forma de caixa, incluindo a gravidade, eram matematicamente equivalentes a uma imagem de um universo plano apenas com física quântica (e sem gravidade). A capacidade de alternar entre as descrições sugere que o espaço pode não ser um ingrediente fundamental do cosmos, mas sim um efeito colateral que emerge das interações das partículas.

Por mais difícil que seja para nós, mortais imersos na estrutura do espaço, imaginarmos, a relação entre o espaço e as partículas pode ser algo como a que existe entre a temperatura ambiente e as moléculas de ar. Os físicos já pensaram no calor como um fluido que fluía de uma sala quente para uma sala fria, mas a descoberta das moléculas revelou que o que sentimos como temperatura "emerge" da velocidade média das moléculas de ar. O espaço (e, equivalentemente, a gravidade) pode representar de forma semelhante nossa experiência em grande escala de algum fenômeno de pequena escala. "Dentro da teoria das cordas, há boas indicações neste ponto de que o espaço é realmente emergente", disse Engelhardt.

Mas o universo da teoria das cordas em uma caixa tem uma forma diferente da que vemos (embora Engelhardt disse que essa diferença pode não ser um obstáculo, já que a gravidade quântica poderia agir da mesma maneira para todas as formas possíveis do universo). Mesmo que as lições do universo da caixa se apliquem à realidade, a estrutura matemática permanece difícil. Os físicos estão muito longe de cortar seus laços teóricos com o espaço e alcançar uma descrição precisa da gravidade quântica em toda a sua glória irregular. 

Enquanto eles continuam a resolver os problemas matemáticos substanciais em suas respectivas teorias, alguns físicos nutrem a esperança de que suas observações astrofísicas possam algum dia levá-los na direção certa. Nenhum experimento até agora divergiu das previsões da relatividade geral, mas, no futuro, um conjunto diversificado de detectores de ondas gravitacionais sensíveis a muitos tamanhos de onda poderia captar os sussurros sutis dos grávitons. No entanto, Engelhardt disse: "meu instinto seria olhar para o cosmos, em vez de olhar para os aceleradores de partículas".

Recursos adicionais: 

• Leia sobre outro motivo pelo qual a gravidade é tão diferente das outras forças, do astrofísico Ethan Siegel para a Forbes. 
• Veja este vídeo explicando a ligação entre um universo pop-up com gravidade e um universo "plano" sem gravidade, da PBS Space Time.
• Assista a Don Lincoln, do Fermilab, explicando as porcas e os parafusos da gravidade quântica em loop.

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Referência:

WOOD, Charlie. What Is Quantum Gravity? Space, 27, ago. 2019. Disponível em: <https://www.space.com/quantum-gravity.html>. Acesso em: 12, set. 2021.