Temos todos os motivos para acreditar que a gravidade é inerentemente uma teoria quântica. Mas como podemos provar isso de uma vez por todas? A Dra. Sabina Nossenfelder, física teórica, especialista em gravidade quântica e física de altas energias, fala sobre isso. Mais longe da primeira pessoa.
Se você tiver uma boa visão, os menores objetos que puder ver terão cerca de um décimo de milímetro: aproximadamente a largura de um cabelo humano. Adicione tecnologia e a menor estrutura que pudemos medir até agora era de cerca de 10-19 metros, que é o comprimento de onda dos prótons colidindo no LHC. Levamos 400 anos para ir do microscópio mais primitivo à construção do LHC - uma melhoria de 15 ordens de magnitude ao longo de quatro séculos.
Estima-se que os efeitos quânticos da gravidade se tornem relevantes em escalas de distância de cerca de 10-35 metros, conhecidas como comprimento de Planck. Este é outro caminho de 16 ordens de magnitude ou outro fator de 1016 em termos de energia de colisão. Isso faz você se perguntar se isso é possível, ou se todos os esforços para tentar encontrar uma teoria quântica da gravidade permanecerão para sempre como uma ficção inútil.
Eu sou um otimista A história da ciência está cheia de pessoas que pensavam que isso era impossível, mas na realidade acabou sendo o contrário: medir a deflexão da luz no campo gravitacional do sol, máquinas mais pesadas que o ar, detectar ondas gravitacionais. Portanto, não considero impossível testar experimentalmente a gravidade quântica. Pode levar dezenas ou centenas de anos - mas se continuarmos nos movendo, talvez um dia possamos medir os efeitos da gravidade quântica. Não necessariamente atingindo diretamente as próximas 16 ordens de magnitude, mas sim por detecção indireta em energias mais baixas.
Mas do nada, nada nasce. Se não pensarmos sobre como os efeitos da gravidade quântica podem se manifestar e onde podem aparecer, definitivamente nunca os encontraremos. Meu otimismo é alimentado por um interesse crescente na fenomenologia da gravidade quântica, uma área de pesquisa dedicada ao estudo de como melhor procurar as manifestações dos efeitos da gravidade quântica.
Uma vez que nenhuma teoria consistente foi inventada para a gravidade quântica, os esforços atuais para encontrar fenômenos observáveis estão focados em encontrar maneiras de testar as características gerais da teoria, procurando por propriedades que foram encontradas em algumas abordagens diferentes da gravidade quântica. Por exemplo, flutuações quânticas no espaço-tempo ou a presença de um "comprimento mínimo" que marcará o limite fundamental da resolução. Tais efeitos poderiam ser determinados usando modelos matemáticos e, em seguida, a força desses possíveis efeitos poderia ser estimada e para entender quais experimentos poderiam dar os melhores resultados.
Testar a gravidade quântica há muito é considerado fora do alcance dos experimentos, a julgar por estimativas, precisamos de um colisor do tamanho da Via Láctea para acelerar prótons o suficiente para produzir uma quantidade mensurável de grávitons (quanta do campo gravitacional), ou precisamos de um detector do tamanho de Júpiter para medir grávitons que nascem em todos os lugares. Não é impossível, mas certamente não é algo que se deva esperar no futuro próximo.
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Tais argumentos, entretanto, dizem respeito apenas à detecção direta de grávitons, e esta não é a única manifestação dos efeitos da gravidade quântica. Existem muitas outras consequências observáveis que a gravidade quântica pode aumentar, algumas das quais já observamos e outras que planejamos procurar. Até agora, nossos resultados são puramente negativos. Mas mesmo os negativos são valiosos, porque nos dizem quais propriedades a teoria de que precisamos pode não ter.
Uma consequência testável da gravidade quântica, por exemplo, pode ser a quebra de simetria, fundamental para a relatividade especial e geral, conhecida como invariância de Lorentz. Curiosamente, as violações da invariância de Lorentz não são necessariamente pequenas, mesmo se criadas em distâncias muito pequenas para serem observadas. A quebra de simetria, por outro lado, se infiltrará pelas reações de muitas partículas nas energias disponíveis com incrível precisão. Nenhuma evidência de violações de invariância de Lorentz ainda foi encontrada. Pode parecer esparso, mas sabendo que essa simetria deve ser observada com o mais alto grau de precisão na gravidade quântica, você pode usar isso para desenvolver uma teoria.
Outras consequências testáveis podem estar dentro do campo fraco da gravidade quântica. No início do Universo, as flutuações quânticas no espaço-tempo deveriam ter levado ao surgimento de flutuações de temperatura na matéria. Essas flutuações de temperatura são observadas hoje, sendo impressas na radiação de fundo (CMB). A impressão das "ondas gravitacionais primárias" na radiação cósmica de fundo ainda não foi medida (o LIGO não é sensível o suficiente para isso), mas espera-se que esteja dentro de uma a duas ordens de magnitude da precisão da medição atual. Muitas colaborações experimentais estão trabalhando na busca deste sinal, incluindo BICEP, POLARBEAR e o Observatório Planck.
Outra maneira de testar o limite de campo fraco da gravidade quântica é tentar introduzir objetos grandes em uma superposição quântica: objetos que são muito mais pesados do que as partículas elementares. Isso tornará o campo gravitacional mais forte e potencialmente testará seu comportamento quântico. Os objetos mais pesados que até agora conseguimos amarrar em uma superposição pesam cerca de um nanograma, que é várias ordens de magnitude menos do que o necessário para medir o campo gravitacional. Mas, recentemente, um grupo de cientistas em Viena propôs um esquema experimental que nos permitiria medir o campo gravitacional com muito mais precisão do que antes. Estamos nos aproximando lentamente da faixa de gravidade quântica.
(Lembre-se de que este termo é diferente na astrofísica, onde "gravidade forte" às vezes é usada para se referir a outra coisa, como grandes desvios da gravidade newtoniana que podem ser encontrados perto dos horizontes de eventos do buraco negro.)
Os fortes efeitos da gravidade quântica também podem deixar uma impressão (além dos efeitos de campo fraco) na CMB (radiação relíquia), em particular no tipo de correlações que podem ser encontradas entre as flutuações. Existem diferentes modelos de cosmologia de cordas e cosmologia de loop quântico que estudam as consequências observadas, e experimentos propostos como EUCLID, PRISM e, em seguida, WFIRST podem encontrar as primeiras pistas.
Há outra ideia interessante, baseada em uma descoberta teórica recente, segundo a qual o colapso gravitacional da matéria pode nem sempre formar um buraco negro - todo o sistema evitará a formação do horizonte. Se for assim, o objeto restante nos dará uma visão da região com efeitos gravitacionais quânticos. Não está claro, entretanto, quais sinais devemos procurar para encontrar tal objeto, mas esta é uma direção de busca promissora.
Existem muitas ideias. Uma grande classe de modelos lida com a possibilidade de que efeitos gravitacionais quânticos dotem o espaço-tempo com as propriedades de um meio. Isso pode levar à dispersão da luz, birrefringência, decoerência ou opacidade de espaço vazio. Você não pode contar tudo de uma vez. Mas, sem dúvida, ainda há muito a ser feito. A busca por evidências de que a gravidade é realmente uma força quântica já começou.
ILYA KHEL
