Nova teoria pode finalmente tornar a “gravidade quântica” uma realidade e provar que Einstein estava errado

O universo nos apresenta um enigma fascinante: enquanto compreendemos relativamente bem as forças eletromagnéticas, fracas e fortes através da teoria quântica de campos, a gravidade permanece como a força rebelde que resiste à quantização. Imagine tentar encaixar uma peça quadrada em um buraco redondo – essa tem sido a frustração dos físicos por décadas ao tentar unificar a relatividade geral com o mundo quântico.

Recentemente, uma equipe de físicos desenvolveu uma abordagem revolucionária para este problema persistente da física teórica. Em artigo publicado na revista científica Reports on Progress in Physics, os cientistas apresentam uma reformulação da gravidade que poderia finalmente criar uma descrição completamente compatível com a mecânica quântica – sem necessidade de dimensões extras ou características exoticas exigidas por modelos mais especulativos, como a teoria das cordas.

O cosmos está repleto de exemplos onde esta unificação se torna crucial. Pense nos buracos negros, onde a gravidade extrema comprime a matéria até densidades onde efeitos quânticos não podem mais ser ignorados. Ou considere os primeiros momentos após o Big Bang, quando todo o universo estava comprimido em um volume infinitesimal. Nestas situações extremas, precisamos de uma teoria que funcione em ambos os regimes simultaneamente.

Repensando a natureza fundamental da gravidade

No centro desta proposta está uma completa reavaliação de como a gravidade se comporta em nível fundamental. A relatividade geral de Einstein descreve a gravidade como curvatura do espaço-tempo causada por massa e energia – uma teoria puramente clássica que funciona maravilhosamente bem para planetas estrelas e galáxias mas que encontra dificuldades no reino do muito pequeno.

As tentativas anteriores de misturar teoria quântica com relatividade geral frequentemente resultavam em inconsistências matemáticas catastróficas como probabilidades infinitas – algo que qualquer físico consideraria um sinal claro de que algo está fundamentalmente errado com a abordagem. 

“A descoberta principal é que nossa teoria oferece uma nova abordagem para a gravidade quântica de maneira que se assemelha à formulação das outras interações fundamentais do Modelo Padrão” explica o co-autor do estudo Mikko Partanen físico da Universidade Aalto na Finlandia em comunicação por email à Live Science.

Quatro campos em vez de espaço-tempo curvo

Em vez de curvar o espaço-tempo, a gravidade neste modelo é mediada por quatro campos inter-relacionados, cada um semelhante ao campo que governa o eletromagnetismo. Estes campos respondem à massa de maneira similar à forma como campos elétricos e magnéticos respondem à carga e corrente elétricas

O fascinante nesta abordagem é que estes campos também interagem entre si e com os campos do Modelo Padrão de uma forma que reproduz a relatividade geral no nível clássico, enquanto permite que efeitos quânticos sejam incorporados consistentemente. É como se estivéssemos traduzindo a linguagem geométrica da relatividade geral para a linguagem de campos da teoria quântica.

Quando pensamos no universo primordial, este modelo poderia potencialmente explicar como as quatro forças fundamentais emergiram de um estado unificado inicial. A gravidade, nesta perspectiva não seria tão diferente das outras forças – apenas mais uma manifestação de campos quânticos interagindo, embora com propriedades únicas.

Simplicidade elegante como vantagem

Uma vantagem crucial desta abordagem é sua simplicidade relativa. Diferente de muitos modelos de gravidade quântica que exigem partículas não detectadas e forças adicionais, esta teoria se mantém em território familiar para os físicos.

“As principais vantagens ou diferenças em comparação com muitas outras teorias de gravidade quântica são que nossa teoria não precisa de dimensões extras que ainda não têm suporte experimental direto” afirmou Jukka Tulkki professor da Universidade Aalto e co-autor do artigo em email à Live Science. “Além disso a teoria não precisa de nenhum parâmetro livre além das constantes físicas conhecidas.”

Isso significa que a teoria pode ser testada sem esperar pela descoberta de novas partículas ou revisar leis físicas existentes. “Quaisquer experimentos futuros de gravidade quântica podem ser diretamente usados para testar quaisquer previsões (futuras) da teoria” acrescentou Tulkki. Esta característica torna o modelo particularmente atraente para a comunidade científica que por décadas tem buscado maneiras de testar teorias de gravidade quantica.

Desafios e perspectivas futuras

Apesar das características promissoras o modelo ainda está em seus estágios iniciais. Embora cálculos preliminares indiquem que a teoria se comporta bem sob as verificações usuais de consistência, uma prova completa de sua coerência ainda precisa ser elaborada.

Além disso, a estrutura ainda não foi aplicada a algumas das questões mais profundas da física gravitacional, como a verdadeira natureza das singularidades dos buracos negros ou a física do Big Bang. “A teoria ainda não é capaz de abordar esses grandes desafios mas tem potencial para fazêr-lo no futuro” disse Partanen.

A verificação experimental pode se provar ainda mais elusiva A gravidade é a mais fraca das forças conhecidas e seus aspectos quânticos são incrivelmente sutis. Testes diretos dos efeitos da gravidade quântica estão além do alcance dos instrumentos atuais.

O longo caminho até a verificação experimental

“Testar efeitos de gravidade quântica é desafiador devido à fraqueza da interação gravitacional” explicou Tulkki. Ainda assim, como a teoria não inclui parâmetros ajustáveis, qualquer experimento futuro que investigue comportamentos gravitacionais quânticos poderia potencialmente confirmar – ou descartar – a nova proposta.

“Dado o ritmo atual de avanços teóricos e observacionais, pode levar algumas décadas para fazer as primeiras descobertas experimentais que nos deem evidências diretas dos efeitos da gravidade quântica” afirmou Partanen. “Evidências indiretas através de observações avançadas poderiam ser obtidas mais cedo.”

Imagine detectores de ondas gravitacionais tão sensíveis que poderiam captar flutuações quânticas no próprio tecido do espaço-tempo, ou experimentos de laboratório capazes de medir como a gravidade afeta partículas em superposição quântica Tais experimentos, embora tecnicamente desafiadores, poderiam um dia fornecer as evidências necessárias.

Implicações para nossa compreensão do universo

Se esta teoria estiver correta, as implicações seriam profundas. Poderíamos finalmente entender o que acontece no centro de um buraco negro, onde nossa física atual simplesmente falha. Talvez descobríssemos que não existe realmente uma “singularidade” infinita, mas sim um comportamento quântico exótico que nossa física atual não consegue descrever.

Poderíamos também obter insights sobre a origem do universo e se houve algo “antes” do Big Bang. A gravidade quântica poderia explicar como o universo emergiu de um estado quântico primordial, sem necessidade de invocar conceitos como “nada” ou “criação ex nihilo”.

Por enquanto, o trabalho de Partanen e Tulkki abre uma direção nova e promissora para teóricos que buscam uma teoria quântica da gravidade – uma que permanece fundamentada nos arcabouços bem-sucedidos da física de partículas enquanto potencialmente desvenda alguns dos mistérios mais profundos do universo.

Como alguém que observa as estrelas desde criança, não posso deixar de me maravilhar com a elegância desta abordagem. O cosmos é não apenas mais estranho do que imaginamos, mas provavelmente mais estranho do que podemos imaginar. no entanto, com cada nova teoria e observação, nos aproximamos um pouco mais de compreender a tapeçaria cósmica da qual todos fazemos parte.

Hypescience.com