Como construir um espaço-tempo emergente no laboratório

A busca por uma teoria da gravidade quântica sugere que os espaços-tempos podem surgir mais facilmente do que se imaginava.

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Talvez o esforço mais intrigante na ciência moderna seja o trabalho contínuo para unificar as leis da física nas maiores e menores escalas. Isso significa encontrar uma maneira de combinar a gravidade com as leis da mecânica quântica para criar uma teoria da gravidade quântica.

Uma das grandes ideias no centro deste trabalho é que a fronteira do nosso cosmos contém todas as informações para descrever o que se passa dentro do universo. Isso é estranho porque o limite é apenas bidimensional, enquanto o universo é tridimensional. De alguma forma, a dimensão extra emerge das propriedades das outras dimensões.

Os físicos chamam isso de dualidade holográfica porque é semelhante à maneira como uma terceira dimensão aparece em hologramas bidimensionais. A ideia de que vivemos em um espaço-tempo emergente chamou a atenção de inúmeros físicos, que gostariam muito de explorar mais essa noção.

Mistério holográfico

Agora eles poderiam ter a chance, graças ao trabalho de Koji Hashimoto e colegas da Universidade de Kyoto, no Japão, que encontraram uma maneira de criar espaços-tempos emergentes em um simples experimento de mesa. Seu principal insight é sugerir que, sob certas condições, o espaço-tempo pode emergir em materiais comuns, assim como uma terceira dimensão emerge em hologramas.

Hashimoto e companhia esboçaram as condições em que isso poderia funcionar e calcularam como os físicos podem detectar esses espaços-tempos emergentes. Se estiverem corretos, o trabalho da equipe estabelece as bases para a primeira detecção experimental de um espaço-tempo emergente.

Primeiro um pouco de fundo. A dualidade holográfica é o resultado de uma conjectura que os físicos criaram na década de 1990 para reconciliar duas teorias inteiramente diferentes do universo. A primeira é a teoria de campos conformais ou CFT, que descreve a física de partículas nas menores escalas quânticas. O segundo é o anti-de Sitter Spaces, que descreve a gravidade quântica em termos de teorias de cordas e muitas vezes requer muitas dimensões para fazer isso. Estes tornam-se compactados na maioria das situações reais.

A conjectura é que as teorias de campo conformes e os Espaços Anti-de Sitter são essencialmente a mesma coisa, embora tenham números diferentes de dimensões. Nesta chamada correspondência AdS/CFT, a teoria de campo conformal mapeia exatamente para o anti-de Sitter Space e vice-versa. Este mapeamento mostra como nossa dimensão extra do espaço emerge da descrição dimensional inferior do universo.

Mas se a correspondência AdS/CFT é verdadeira, Hashimoto e companhia raciocinaram que talvez haja outras circunstâncias em que o espaço-tempo possa emergir. Por exemplo, talvez seja possível criar uma fronteira unidimensional dentro da qual um espaço-tempo bidimensional pode emergir.

Eles então exploraram as condições em que isso poderia ocorrer e como poderia ser visível para um observador externo.

Eles observam que é simples criar um limite unidimensional usando uma linha fina de átomos ou moléculas dispostas em um círculo. É simples calcular a aparência de tal sistema em circunstâncias comuns.

No entanto, se esse sistema permite o surgimento de seu próprio espaço-tempo, ele deve interagir com nosso próprio espaço-tempo de uma forma que distorca sua aparência de forma previsível, assim como um holograma.

Hashimoto e companhia passam a calcular as propriedades dessa distorção em um sistema feito de cloreto de cobre tálio, que tem propriedades quânticas que devem permitir que o efeito ocorra.

Mecânica dos anéis

Eles calculam que o anel de cloreto de cobre tálio deve ter uma circunferência de cerca de 100 nanômetros e ser resfriado a 0,1 Kelvin. E eles preveem como será se seu próprio espaço-tempo surgir. "A imagem na fase de baixa temperatura exibe uma diferença distinta dos materiais comuns", dizem os pesquisadores.

Esse é um trabalho fascinante que fará com que físicos de todo o mundo olhem atentamente para minúsculos anéis de cloreto de cobre em busca de sinais de espaço-tempos emergentes. Crucialmente, este é um experimento que é possível em mais ou menos qualquer laboratório de materiais equipado com instalações de baixa temperatura. "Esses cálculos aproximados mostram (...) uma possibilidade realista da busca experimental dos materiais espaço-tempo-emergentes", dizem Hashimoto e companhia. 

Isso significa que devemos descobrir em breve se esse fenômeno é fácil de observar. Se for, o estudo de materiais emergentes espaço-tempo explodirá nos próximos meses.

É claro que a observação da emergência do espaço-tempo no sistema unidimensional que Hashimoto e colaboradores descrevem, não significa necessariamente que a correspondência AdS/CFT deva estar correta. Mas certamente despertará a atenção dos físicos que esperam que seja e querem estender as observações de uma forma que possa confirmar ou contradizer suas teorias da gravidade quântica.

Esteja preparado para alguns momentos emocionantes pela frente.

Fonte: astronomy.com