Perguntamos a quatro físicos por que a gravidade se destaca entre as forças da natureza. Temos quatro respostas diferentes.

Crédito da imagem: Samuel Velasco/Revista Quanta

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Os físicos rastrearam três das quatro forças da natureza, a força eletromagnética e as forças nucleares forte e fraca até suas origens nas partículas quânticas. Mas a quarta força fundamental, a gravidade, é diferente.

Nossa estrutura atual para compreender a gravidade, desenvolvida há um século por Albert Einstein, nos diz que as maçãs caem das árvores e os planetas orbitam as estrelas porque se movem ao longo de curvas no continuum espaço-tempo. Essas curvas são a gravidade. De acordo com Einstein, a gravidade é uma característica do meio espaço-tempo; as outras forças da natureza atuam nesse palco.

Mas perto do centro de um buraco negro ou nos primeiros momentos do universo, as equações de Einstein não se aplicam. Os físicos precisam de uma imagem mais verdadeira da gravidade para descrever com precisão esses extremos. Essa teoria mais verdadeira deve fazer as mesmas previsões que as equações de Einstein fazem em todos os outros lugares.

Os físicos pensam que, nesta teoria mais verdadeira, a gravidade deve ter uma forma quântica, como as outras forças da natureza. Os pesquisadores buscam a teoria quântica da gravidade desde os anos 1930. Eles encontraram ideias candidatas, notadamente a teoria das cordas, que diz que a gravidade e todos os outros fenômenos surgem de cordas vibrantes minúsculas, mas até agora essas possibilidades permanecem conjecturais e incompletamente compreendidas. Uma teoria quântica da gravidade funcional é talvez o objetivo mais elevado da física hoje.

O que torna a gravidade única? O que há de diferente na quarta força que impede os pesquisadores de encontrar sua descrição quântica subjacente? Perguntamos a quatro pesquisadores de gravidade quântica diferentes. Temos quatro respostas diferentes.

A gravidade gera singularidades

Claudia de Rham, uma física teórica do Imperial College London, trabalhou em teorias da gravidade massiva, que postulam que as unidades de gravidade quantizadas são partículas massivas:

A teoria geral da relatividade de Einstein descreve corretamente o comportamento da gravidade em cerca de 30 ordens de magnitude, desde escalas submilimétricas até distâncias cosmológicas. Nenhuma outra força da natureza foi descrita com tanta precisão e em tantas escalas. Com tal nível de concordância impecável com experimentos e observações, a relatividade geral poderia parecer fornecer a descrição final da gravidade. No entanto, a relatividade geral é notável porque prevê sua própria queda.

A relatividade geral fornece as previsões dos buracos negros e do Big Bang na origem do nosso universo. Já as “singularidades” nesses lugares, pontos misteriosos onde a curvatura do espaço-tempo parece se tornar infinita, agem como bandeiras que sinalizam o colapso da relatividade geral. À medida que nos aproximamos da singularidade no centro de um buraco negro, ou da singularidade do Big Bang, as previsões inferidas da relatividade geral param de fornecer as respostas corretas. Uma descrição mais fundamental e subjacente de espaço e tempo deve assumir o controle. Se descobrirmos essa nova camada da física, talvez possamos alcançar uma nova compreensão do próprio espaço e tempo.

Se a gravidade fosse qualquer outra força da natureza, poderíamos esperar sondá-la mais profundamente por meio de experimentos de engenharia capazes de alcançar energias cada vez maiores e distâncias menores. Mas a gravidade não é uma força comum. Tente forçá-la a desvendar seus segredos além de um certo ponto, e o próprio aparato experimental entrará em colapso em um buraco negro.

Uma representação artística do sistema IC 10 X-1, um buraco negro se esconde no canto superior esquerdo. Crédito da imagem: Universal History Archive / Universal Images Group via Getty Images

A gravidade leva a buracos negros

Daniel Harlow, um teórico da gravidade quântica do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, é conhecido por aplicar a teoria da informação quântica ao estudo da gravidade e dos buracos negros:

Os buracos negros são a razão pela qual é difícil combinar a gravidade com a mecânica quântica. Os buracos negros só podem ser uma consequência da gravidade porque a gravidade é a única força que é sentida por todos os tipos de matéria. Se houvesse qualquer tipo de partícula que não sentisse a gravidade, poderíamos usar essa partícula para enviar uma mensagem de dentro do buraco negro, de forma que não fosse realmente negro.

O fato de que toda a matéria sente a gravidade impõe uma restrição aos tipos de experimentos possíveis: qualquer aparelho que você construir, não importa do que seja feito, não pode ser muito pesado ou necessariamente colapsará gravitacionalmente em um buraco negro. Essa restrição não é relevante em situações cotidianas, mas se torna essencial se você tentar construir um experimento para medir as propriedades da mecânica quântica da gravidade.

Nossa compreensão das outras forças da natureza é construída com base no princípio da localidade, que diz que as variáveis que descrevem o que está acontecendo em cada ponto do espaço, como a intensidade do campo elétrico ali, podem todas mudar independentemente. Além disso, essas variáveis, que chamamos de “graus de liberdade”, só podem influenciar diretamente seus vizinhos imediatos. A localidade é importante para a forma como atualmente descrevemos as partículas e suas interações porque preserva as relações causais: Se os graus de liberdade aqui em Cambridge, Massachusetts, dependiam dos graus de liberdade em São Francisco, podemos ser capazes de usar essa dependência para alcançar comunicação instantânea entre as duas cidades ou mesmo para envio de informações para trás no tempo, levando a possíveis violações de causalidade.

A hipótese da localidade foi testada muito bem em configurações comuns, e pode parecer natural supor que ela se estende a distâncias muito curtas que são relevantes para a gravidade quântica (essas distâncias são pequenas porque a gravidade é muito mais fraca do que as outras forças). Para confirmar que a localidade persiste nessas escalas de distância, precisamos construir um aparelho capaz de testar a independência de graus de liberdade separados por distâncias tão pequenas. Um cálculo simples mostra, entretanto, que um aparato que é pesado o suficiente para evitar grandes flutuações quânticas em sua posição, o que arruinaria o experimento, também será necessariamente pesado o suficiente para colapsar em um buraco negro! Portanto, experimentos confirmando a localidade nesta escala não são possíveis. E a gravidade quântica, portanto, não precisa respeitar a localidade em tais escalas de comprimento.

Na verdade, nossa compreensão dos buracos negros até agora sugere que qualquer teoria da gravidade quântica deve ter substancialmente menos graus de liberdade do que esperaríamos com base na experiência com as outras forças. Essa ideia é codificada no “princípio holográfico”, que diz, em grosso modo, que o número de graus de liberdade em uma região espacial é proporcional à sua área de superfície em vez de seu volume.

A gravidade cria algo do nada

Juan Maldacena, um teórico da gravidade quântica do Institute for Advanced Study em Princeton, New Jersey, é mais conhecido por descobrir uma relação semelhante a um holograma entre a gravidade e a mecânica quântica:

As partículas podem exibir muitos fenômenos interessantes e surpreendentes. Podemos ter a criação espontânea de partículas, o emaranhamento entre os estados de partículas que estão distantes e as partículas em uma superposição de existência em vários locais.

Na gravidade quântica, o próprio espaço-tempo se comporta de maneiras novas. Em vez da criação de partículas, temos a criação de universos. Acredita-se que o emaranhamento crie conexões entre regiões distantes do espaço-tempo. Temos superposições de universos com diferentes geometrias de espaço-tempo.

Além disso, da perspectiva da física de partículas, o vácuo do espaço é um objeto complexo. Podemos imaginar muitas entidades chamadas de campos sobrepostos uns aos outros e se estendendo por todo o espaço. O valor de cada campo está constantemente flutuando em curtas distâncias. Fora desses campos flutuantes e de suas interações, surge o estado de vácuo. As partículas são perturbações neste estado de vácuo. Podemos imaginá-los como pequenos defeitos na estrutura do vácuo.

Quando consideramos a gravidade, descobrimos que a expansão do universo parece produzir mais desse vácuo do nada. Quando o espaço-tempo é criado, ele apenas acontece de estar no estado que corresponde ao vácuo sem quaisquer defeitos. Como o vácuo aparece precisamente no arranjo correto é uma das principais questões que precisamos responder para obter uma descrição quântica consistente dos buracos negros e da cosmologia. Em ambos os casos, há uma espécie de alongamento do espaço-tempo que resulta na criação de mais substância do vácuo.

A gravidade não pode ser calculada

Sera Cremonini, uma física teórica da Lehigh University, trabalha com teoria das cordas, gravidade quântica e cosmologia:

Existem muitas razões pelas quais a gravidade é especial. Deixe-me focar em um aspecto, a ideia de que a versão quântica da relatividade geral de Einstein é "não renormalizável". Isso tem implicações para o comportamento da gravidade em altas energias.

Nas teorias quânticas, termos infinitos aparecem quando você tenta calcular como partículas muito energéticas se dispersam e interagem. Em teorias que são renormalizáveis, que incluem as teorias que descrevem todas as forças da natureza além da gravidade, podemos remover esses infinitos de uma forma rigorosa, adicionando apropriadamente outras quantidades que efetivamente os cancelam, os chamados contra-termos. Este processo de renormalização leva a respostas fisicamente sensatas que concordam com os experimentos com um alto grau de precisão.

O problema com uma versão quântica da relatividade geral é que os cálculos que descreveriam as interações de grávitons muito energéticos, as unidades quantizadas de gravidade, teriam infinitamente termos infinitos. Você precisaria adicionar infinitos contra-termos em um processo sem fim. A renormalização falharia. Por causa disso, uma versão quântica da relatividade geral de Einstein não é uma boa descrição da gravidade em energias muito altas. Devem estar faltando alguns dos principais recursos e ingredientes da gravidade.

No entanto, ainda podemos ter uma descrição aproximada perfeitamente boa da gravidade em energias mais baixas usando as técnicas quânticas padrão que funcionam para as outras interações na natureza. O ponto crucial é que essa descrição aproximada da gravidade se decomporá em alguma escala de energia, ou, equivalentemente, abaixo de algum comprimento.

Acima desta escala de energia, ou abaixo da escala de comprimento associada, esperamos encontrar novos graus de liberdade e novas simetrias. Para capturar esses recursos com precisão, precisamos de uma nova estrutura teórica. É precisamente aqui que entra a teoria das cordas ou alguma generalização adequada: de acordo com a teoria das cordas, em distâncias muito curtas, veríamos que os grávitons e outras partículas são objetos estendidos, chamados cordas. O estudo dessa possibilidade pode nos ensinar lições valiosas sobre o comportamento quântico da gravidade.

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Referência:

WOLCHOVER, Natalie. Why Gravity Is Not Like the Other Forces. Quanta Magazine, 15, jun. 2020. Disponível em: <https://www.quantamagazine.org/why-gravity-is-not-like-the-other-forces-20200615/?fbclid=IwAR2Lhf5e-9kpIYfwwYJ5mu7Wv4SIE28CXc_3cnvDEeIKBKRdPFZDDix70kE>. Acesso em: 26, nov. 2021.