Gravidade Quântica: Desafios e Teorias

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O que é a gravidade quântica?
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A gravidade quântica procura descrever a gravidade de acordo com os princípios da mecânica quântica,
mas pode ser feita?
Nossa compreensão das partículas elementares e suas interações é baseada no Modelo Padrão – até o
momento, a teoria mais precisa desenvolvida para descrever as propriedades e o comportamento físico
de todas as partículas (excluindo matéria escura), bem como aquelas que medeiam as interações entre
elas.
A única interação fundamental conhecida não descrita pelo Modelo Padrão é a gravidade. Sua descrição
clássica é fornecida pela teoria da relatividade geral de Einstein, que trata o campo gravitacional como
uma geometria do espaço-tempo. Esta teoria tem sido usada para descrever com precisão as influências
de objetos massivos, como planetas, estrelas e galáxias, no espaço-tempo ao seu redor, bem como para
nos ajudar a entender a evolução do Universo como um todo.
No entanto, reconciliar a teoria da gravidade da relatividade geral com os princípios da mecânica
quântica – um ramo da física que lida com as propriedades e o comportamento dos objetos na escala
subatômica – representa um desafio.
Quando tentamos “quantizar” a relatividade geral, obtemos uma teoria que é válida para uma gama de
energias que descrevem as interações entre diferentes partículas e corpos, mas uma teoria fundamental
precisa trabalhar para todas as energias para ser válida.
https://www.quantamagazine.org/a-new-map-of-the-standard-model-of-particle-physics-20201022/
https://www.popularmechanics.com/space/deep-space/a27560790/what-is-dark-matter/
https://www.space.com/17661-theory-general-relativity.html
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Embora os efeitos quânticos na gravidade não desempenhem um papel importante na maioria dos
processos físicos, há situações em que elas devem ser levadas em conta. Ou seja, quando os campos
gravitacionais são excepcionalmente fortes, como nos primeiros momentos após o Big Bang ou perto
dos centros dos buracos negros.
Para estudar a física em tais condições extremas e completar nossa compreensão das interações
fundamentais, a formulação de uma teoria quântica da gravidade é necessária. Mas isso representa um
problema...
Por que é tão difícil estudar a gravidade quântica?
O principal desafio que se encontra quando se busca evidências de gravidade quântica é a falta de
dados experimentais. Os físicos geralmente estudam as interações fundamentais de partículas
elementares com aceleradores de partículas, que esmagam feixes de partículas que se movem a
velocidades próximas à velocidade da luz. Os tipos de partículas nascidas no evento de colisão, seu
número e os ângulos e velocidades em que voam para longe podem ser usados para extrair informações
valiosas sobre suas propriedades e interações.
A questão chave aqui é que os efeitos gravitacionais nas interações elementares de partículas são tão
fracos que são impossíveis de medir com os aceleradores atuais. Por exemplo, a atração gravitacional
entre dois elétrons é mais de 42 ordens de magnitude mais fraca do que a repulsão eletromagnética
entre eles.
Devido à dificuldade de medir os efeitos quânticos, os estudos da gravidade quântica têm sido até agora
apenas teóricos, mas os físicos conseguiram chegar a vários candidatos viáveis.
A gravidade quântica pode ser descrita pela teoria das cordas?
As tentativas de formular uma teoria correta da gravidade quântica foram feitas desde a década de 1940,
mas o progresso foi limitado até a década de 1980, quando um novo candidato foi proposto: teoria das
cordas.
O postulado básico da teoria das cordas é que as partículas elementares não são pontuais, como no
Modelo Padrão, mas são minúsculas cordas unidimensionais. Cada vibração ou oscilação dessas
cordas corresponde a um tipo específico de partícula elementar, o que significa que os elétrons teriam
vibrações únicas de quarks e fótons.
Em particular, um modo de vibração de cordas conhecido tem propriedades que correspondem ao que
muitos físicos esperam de um graviteton hipotético - uma partícula ou corda que deve mediar a interação
gravitacional. No entanto, sua dinâmica difere um pouco da partícula encontrada na relatividade geral
quantizada, onde contradiz os princípios fundamentais da física e da matemática. Na teoria das cordas,
as interações graviton com outras partículas são perfeitamente consistentes com esses princípios,
dando viabilidade a essa teoria como uma possibilidade para a gravidade quântica.
Uma das propriedades interessantes e mais importantes desta teoria é que ela prevê a existência de dez
dimensões do espaço-tempo. A primeira vista, essa previsão parece incompatível com nossa
experiência cotidiana, na qual podemos observar apenas quatro dimensões: três espaço e uma vez. A
https://www.advancedsciencenews.com/string-theory-used-to-describe-the-expanding-universe/
https://www.advancedsciencenews.com/what-is-a-black-hole/
https://www.space.com/17594-string-theory.html
https://www.britannica.com/science/graviton
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solução mais amplamente aceita para essa aparente inconsistência é que as seis dimensões extras são
muito pequenas e não podem ser observadas com os instrumentos experimentais atualmente
disponíveis para nós.
É importante ter em mente que esta é apenas uma hipótese de muitos. Os físicos também propuseram
outros modelos com dimensões extras semelhantes ao espaço, as mais populares das quais são os
modelos Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali (AHDD) e Randall-Sundrum (RS). Nessas teorias, dimensões
adicionais também existem, mas podem ser de tamanho milimétrico ou infinitamente grande.
Uma perspectiva holográfica sobre a gravidade quântica
Infelizmente, nossa compreensão atual da teoria das cordas é incompleta. Em particular, não sabemos
como derivar a geometria das seis dimensões extras dos princípios básicos. Este é um problema muito
sério porque a forma dessas dimensões afeta os detalhes das interações gravitacionais em energias e
temperaturas muito altas – essa limitação nos impede de estudar quantitativamente muitos efeitos
gravitacionais quânticos.
Embora a teoria das cordas ainda não tenha se tornado geralmente aceita, a pesquisa no campo levou
ao desenvolvimento de muitas ferramentas teóricas, a mais poderosa e importante das quais – embora
ainda hipotética – é conhecida como dualidade holográfica ou correspondência holográfica.
A ideia aqui é que um universo de dez dimensões com gravidade é uma projeção de um universo
dimensional inferior (como um holograma), que não tem campos gravitacionais dentro dele. Pensar
sobre o nosso universo dentro do contexto deste espaço de dimensão inferior ajuda a simplificar alguns
dos enigmas mais complicados da física, especialmente aqueles que surgem ao combinar a mecânica
quântica e a relatividade geral.
Isso ocorre porque “descrever” esse mundo mais simples e livre de gravidade é muito mais fácil de fazer
– os físicos têm muita experiência em trabalhar com essas teorias sem gravidade ao estudar interações
eletromagnéticas, fracas e fortes descritas pelo Modelo Padrão.
A correspondência holográfica não só tornou possível estudar os complicados problemas conceituais da
gravidade quântica, mas também está sendo usada para descrever a evolução observável do nosso
Universo. Os cientistas esperam que um maior desenvolvimento lhes permita estudar muitos outros
fenômenos.
Outras teorias da gravidade quântica
A teoria das cordas e a correspondência holográfica são as abordagens mais populares para unificar a
mecânica quântica com a gravidade, mas há outras.
Um exemplo bem conhecido é uma teoria chamada geometrodinâmica quântica (não deixe o nome
intimidá-lo!). Esta teoria, que atraiu a atenção de pesquisadores já na década de 1960, trata o espaço e
o tempo tridimensionais de maneiras ligeiramente diferentes, em contraste com a relatividade geral, que
trata todas as quatro dimensões igualmente dentro do conceito de espaço-tempo. Esta teoria é uma
quantização da relatividade geral e não se espera que esteja correta em energias e temperaturas
extremamentealtas – como as encontradas no Universo muito cedo – mas faz previsões interessantes
https://www.space.com/string-theory-ads-cft-correspondence.html
https://www.advancedsciencenews.com/string-theory-used-to-describe-the-expanding-universe/
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sobre correções quânticas para resultados relativísticos gerais clássicos, particularmente na cosmologia,
que estuda a evolução do nosso Universo como um todo.
Outra dessas teorias é conhecida como gravidade quântica em loop, onde, para quantizar a gravidade,
os físicos abandonam o conceito de um espaço-tempo contínuo (conforme definido pela relatividade
geral) e o consideram como sendo composto de pequenos blocos de construção discretos. Estes são
unidimensionais e, quando entrelaçados, compõem uma espécie de tecido gigante e quadridimensional.
Em outra teoria semelhante conhecida como triangulação dinâmica causal, um pedaço elementar do
espaço-tempo é a contraparte quadridimensional de um triângulo plano. Quando “colados” juntos ao
longo de seus rostos, esses blocos formam o nosso Universo e fornecem um meio mais simples de
quantificar a gravidade.
O tamanho desses blocos (ou pedaços do espaço-tempo) em ambas as teorias é da ordem do
comprimento de Planck, que é considerado a escala típica de qualquer teoria da gravidade quântica.
Este comprimento é de aproximadamente 10 -35 metros, o que é cerca de 23 ordens de magnitude
menor do que o tamanho de um átomo.
Outras abordagens, como a teoria da matriz, sugerem uma visão radical do espaço-tempo, onde os
físicos especulam que ela pode não existir e pode ser apenas uma descrição aproximada da realidade.
Embora essa abordagem pareça contra-intuitiva e impossível de trabalhar, os pesquisadores ainda
podem extrair informações valiosas para fazer previsões potencialmente testáveis. No entanto, para que
essas previsões sejam mais precisas do que as fornecidas por outras abordagens mais conservadoras,
é necessária uma melhoria adicional na compreensão teórica dessa teoria ou melhoria nos métodos
numéricos usados pelos cientistas neste campo.
Todas essas teorias têm suas vantagens e desvantagens e nenhuma delas atualmente fornece uma
descrição abrangente da gravidade quântica. Descobrir qual (se houver!) é a teoria correta requer um
avanço teórico ou melhor ainda, alguma evidência experimental.
Como as experiências futuras nos ajudarão a estudar a
gravidade quântica?
É quase impossível estudar os efeitos gravitacionais quânticos com aceleradores de partículas
elementares porque sua contribuição para interações de partículas é muito pequena. No entanto,
métodos alternativos foram recentemente propostos, os mais populares são baseados em detectores de
ondas gravitacionais.
Os mais sensíveis são os interferômetros a laser, que medem as distâncias entre espelhos separados
usando um feixe de laser que viaja entre eles. Esses detectores podem registrar ondas gravitacionais
emitidas pela fusão de buracos negros - objetos cujo comportamento é mais provável de ser
amplamente afetado por efeitos gravitacionais quânticos. Quando uma onda gravitacional – uma
ondulação no espaço-tempo – passa pelo aparelho, ela muda a distância que o feixe de laser deve
percorrer para alcançar o espelho vizinho, causando mudanças no feixe de laser que podem ser
detectadas e medidas.
https://www.quantamagazine.org/string-theory-meets-loop-quantum-gravity-20160112/
https://www.quantamagazine.org/string-theory-meets-loop-quantum-gravity-20160112/
https://www.ias.edu/sites/default/files/sns/mmm(3).pdf
https://www.ias.edu/sites/default/files/sns/mmm(3).pdf
https://www.advancedsciencenews.com/nobel-prize-physics-detecting-gravitational-waves/
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Os cientistas podem calcular o espectro dessas ondas gravitacionais, assumindo que elas são
adequadamente descritas pela relatividade geral, e a discrepância entre as observações e esses
cálculos pode constituir a contribuição dos efeitos quânticos na gravidade.
Os físicos esperam que a próxima geração de interferômetros, como o Telescópio Einstein, baseado na
Terra, ou a Antena Espacial de Interferômetro a Laser (LISA) espacial, programada para ser introduzida
na década de 2030, forneça informações valiosas.
Outra abordagem é baseada na análise do fundo cósmico de microondas, que é a radiação
eletromagnética no espaço que existe desde o Big Bang. As propriedades dessa radiação, que podemos
medir, deveriam ter sido influenciadas pelos processos que ocorreram no Universo nos primeiros
momentos de sua existência, quando os efeitos quânticos na gravidade eram muito importantes.
Alguns físicos argumentam que as propriedades medidas nesta radiação de fundo confirmam a
existência de grávitons no Universo primordial, confirmando a hipótese de que a interação gravitacional
no nível fundamental é mediada por partículas, como outras interações fundamentais.
Espero que, no futuro, esses e talvez outros experimentos que não sejam ainda pensados nos forneçam
as informações necessárias para completar nossa compreensão dessas interações fundamentais e
descobrir a própria natureza do nosso universo.
Os editores da Advanced Science News gostariam de agradecer ao professor Claus Kiefer, professor
titular de física teórica na Universidade de Colônia, na Alemanha, por suas contribuições para este
artigo.
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