As pessoas sempre consideram o espaço garantido. Afinal, é apenas um vazio - um contêiner para tudo o mais. O tempo também está passando continuamente. Mas os físicos são essas pessoas, eles sempre precisam complicar alguma coisa. Tentando regularmente unificar suas teorias, eles descobriram que o espaço e o tempo se fundem em um sistema tão complexo que uma pessoa comum não consegue entender.
Albert Einstein percebeu o que nos esperava em novembro de 1916. Um ano antes, ele formulou a teoria geral da relatividade, segundo a qual a gravidade não é uma força que se propaga no espaço, mas uma propriedade do próprio espaço-tempo. Quando você joga a bola no ar, ela faz um arco e retorna ao solo, porque a Terra curva o espaço-tempo ao redor dela, de modo que os caminhos da bola e do solo se cruzam novamente. Em uma carta a um amigo, Einstein discutiu o problema de fundir a relatividade geral com sua outra criação, a teoria nascente da mecânica quântica. Mas suas habilidades matemáticas simplesmente não eram suficientes. “Como me torturei com isso!”, Escreveu ele.
Einstein nunca chegou a lugar nenhum nesse aspecto. Ainda hoje, a ideia de criar uma teoria quântica da gravidade parece extremamente distante. A polêmica esconde uma verdade importante: as abordagens competitivas tudo como se diz que o espaço está nascendo em algum lugar mais profundo - e essa ideia quebra o entendimento científico e filosófico que foi estabelecido há 2500 anos.
No buraco negro
Um ímã de geladeira comum ilustra perfeitamente o problema enfrentado pelos físicos. Ele pode prender um pedaço de papel e resistir à gravidade de toda a Terra. A gravidade é mais fraca do que o magnetismo ou outra força elétrica ou nuclear. Quaisquer que sejam os efeitos quânticos por trás disso, eles serão mais fracos. A única evidência tangível de que esses processos ocorrem é a imagem heterogênea da matéria no universo mais antigo - que se acredita ter sido desenhada por flutuações quânticas no campo gravitacional.
Os buracos negros são a melhor maneira de testar a gravidade quântica. “Essa é a coisa mais apropriada para fazer experiências”, diz Ted Jacobson, da University of Maryland, College Park. Ele e outros teóricos estudam os buracos negros como pivôs teóricos. O que acontece quando você pega equações que funcionam perfeitamente em um ambiente de laboratório e as coloca nas situações mais extremas imagináveis? Haverá algumas falhas sutis?
A teoria geral prevê relativamente que a matéria que cai em um buraco negro vai se contrair infinitamente à medida que se aproxima do centro - um beco sem saída matemático denominado singularidade. Os teóricos não podem imaginar a trajetória de um objeto além da singularidade; todas as linhas convergem nele. Mesmo falar dele como um lugar é problemático, porque o próprio espaço-tempo, que determina a localização da singularidade, deixa de existir. Os cientistas esperam que a teoria quântica possa nos fornecer um microscópio que nos permitirá examinar esse ponto infinitesimal de densidade infinita e entender o que acontece com a matéria que cai nele.
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Na borda de um buraco negro, a matéria ainda não está tão comprimida, a gravidade está mais fraca e, pelo que sabemos, todas as leis da física deveriam funcionar. E é ainda mais desanimador que eles não funcionem. O buraco negro é limitado pelo horizonte de eventos, o ponto sem retorno: a matéria que cruza o horizonte de eventos não retornará. A descida é irreversível. Isso é um problema porque todas as leis conhecidas da física fundamental, incluindo as da mecânica quântica, são reversíveis. Pelo menos em princípio, em teoria, você deveria ser capaz de reverter o movimento e restaurar quaisquer partículas que você tivesse.
Os físicos enfrentaram um enigma semelhante no final de 1800, quando olharam para a matemática de um "corpo negro", idealizado como uma cavidade cheia de radiação eletromagnética. A teoria do eletromagnetismo de James Clerk Maxwell previu que tal objeto absorveria toda a radiação que cai sobre ele e nunca entraria em equilíbrio com a matéria circundante. “Ele pode absorver uma quantidade infinita de calor de um reservatório que é mantido a uma temperatura constante”, explica Raphael Sorkin, do Perimeter Institute for Theoretical Physics, em Ontário. Do ponto de vista térmico, terá uma temperatura de zero absoluto. Esta conclusão contradiz as observações de corpos negros reais (como a fornalha). Continuando o trabalho com a teoria de Max Planck, Einstein mostrou que um corpo negro pode atingir o equilíbrio térmico,se a energia da radiação virá em unidades discretas ou quanta.
Por quase meio século, os físicos teóricos tentaram alcançar uma solução semelhante para os buracos negros. O falecido Stephen Hawking, da Universidade de Cambridge, deu um passo importante em meados dos anos 70 ao aplicar a teoria quântica ao campo de radiação em torno dos buracos negros e ao mostrar que eles têm temperaturas diferentes de zero. Portanto, eles podem não apenas absorver, mas também emitir energia. Embora sua análise aparafusasse os buracos negros no domínio da termodinâmica, ele também exacerbou o problema da irreversibilidade. A radiação que sai é emitida na borda do buraco negro e não transporta informações do interior. Esta é a energia térmica aleatória. Se você reverter o processo e alimentar essa energia em um buraco negro, nada aparecerá: você apenas obterá ainda mais calor. E é impossível imaginar que haja algo deixado no buraco negro, apenas preso, porque conforme o buraco negro emite radiação, ele se contrai e,de acordo com a análise de Hawking, eventualmente desaparece.
Esse problema é chamado de paradoxo da informação, porque o buraco negro destrói informações sobre as partículas que caíram nele, que você poderia tentar recuperar. Se a física dos buracos negros é realmente irreversível, algo precisa transportar informações de volta, e nosso conceito de espaço-tempo pode ter que ser modificado para acomodar esse fato.
Átomos de espaço-tempo
Calor é o movimento aleatório de partículas microscópicas como moléculas de gás. Uma vez que os buracos negros podem se aquecer e esfriar, seria razoável supor que eles são feitos de partes - ou, mais geralmente, de estrutura microscópica. E, uma vez que um buraco negro é apenas um espaço vazio (de acordo com a relatividade geral, a matéria que cai em um buraco negro passa pelo horizonte de eventos sem parar), partes de um buraco negro devem ser partes do próprio espaço. E por trás da enganosa simplicidade do espaço plano e vazio, existe uma enorme complexidade.
Mesmo teorias que deveriam ter mantido a visão tradicional do espaço-tempo chegaram à conclusão de que algo está escondido sob essa superfície lisa. Por exemplo, no final dos anos 1970, Steven Weinberg, agora na Universidade do Texas em Austin, tentou descrever a gravidade da mesma forma que outras forças da natureza a descrevem. E descobri que o espaço-tempo foi radicalmente modificado em sua menor escala.
Os físicos originalmente visualizavam o espaço microscópico como um mosaico de pequenos pedaços de espaço. Se você aumentá-los para a escala de Planck, incomensuravelmente pequena em tamanho de 10-35 metros, os cientistas acreditam que você pode ver algo como um tabuleiro de xadrez. Ou talvez não. Por um lado, essa rede de linhas do espaço do xadrez preferirá uma direção a outra, criando assimetrias que contradizem a teoria da relatividade especial. Por exemplo, a luz de cores diferentes se moverá em velocidades diferentes - como em um prisma de vidro que divide a luz em suas cores componentes. E embora as manifestações em pequenas escalas sejam muito difíceis de notar, as violações da relatividade geral serão francamente óbvias.
A termodinâmica dos buracos negros questiona a imagem do espaço como um simples mosaico. Ao medir o comportamento térmico de qualquer sistema, você pode contar suas partes, pelo menos em princípio. Libere energia e olhe para o termômetro. Se a coluna decolou, a energia deve ser distribuída para relativamente poucas moléculas. Na verdade, você está medindo a entropia de um sistema, que representa sua complexidade microscópica.
Se você fizer isso com uma substância comum, o número de moléculas aumenta com o volume do material. De qualquer forma, deveria ser: se você aumentar o raio de uma bola de praia em 10 vezes, ela caberá 1000 vezes mais moléculas dentro dela. Mas se você aumentar o raio de um buraco negro em 10 vezes, o número de moléculas nele se multiplicará apenas 100 vezes. O número de moléculas de que consiste deve ser proporcional não ao seu volume, mas à área de superfície. Um buraco negro pode parecer tridimensional, mas se comporta como um objeto bidimensional.
Esse estranho efeito é chamado de princípio holográfico, porque se assemelha a um holograma, que vemos como um objeto tridimensional, mas, ao examinarmos mais de perto, é uma imagem produzida por um filme bidimensional. Se o princípio holográfico leva em conta os constituintes microscópicos do espaço e seus conteúdos - que os físicos admitem, embora não todos - não será suficiente criar o espaço simplesmente emparelhando seus menores pedaços.
Teia emaranhada
Nos últimos anos, os cientistas perceberam que o emaranhamento quântico deve estar envolvido. Essa propriedade profunda da mecânica quântica, um tipo de conexão extremamente poderoso, parece muito mais primitiva do que o espaço. Por exemplo, os experimentadores podem criar duas partículas voando em direções opostas. Se eles ficarem emaranhados, eles permanecerão conectados independentemente da distância que os separa.
Tradicionalmente, quando as pessoas falavam sobre a gravidade "quântica", elas se referiam à discrição quântica, flutuações quânticas e todos os outros efeitos quânticos - não emaranhamento quântico. Tudo mudou graças aos buracos negros. Durante a vida de um buraco negro, partículas emaranhadas entram nele, mas quando o buraco negro evapora completamente, os parceiros fora do buraco negro permanecem emaranhados - sem nada. "Hawking deveria ter chamado isso de problema de emaranhamento", disse Samir Mathur, da Ohio State University.
Mesmo no vácuo, onde não há partículas, campos eletromagnéticos e outros estão internamente emaranhados. Se você medir o campo em dois locais diferentes, suas leituras irão flutuar um pouco, mas permanecerão em coordenação. Se você dividir a área em duas partes, essas partes estarão em correlação e o grau de correlação dependerá da propriedade geométrica que possuem: a área de interface. Em 1995, Jacobson afirmou que o emaranhamento fornece uma ligação entre a presença da matéria e a geometria do espaço-tempo - o que significa que poderia explicar a lei da gravidade. "Mais emaranhamento significa menos gravidade", disse ele.
Algumas abordagens da gravidade quântica - mais notavelmente a teoria das cordas - veem o emaranhamento como uma pedra angular importante. A teoria das cordas aplica o princípio holográfico não apenas aos buracos negros, mas ao universo como um todo, fornecendo uma receita para a criação de espaço - ou pelo menos parte dele. O espaço bidimensional original servirá como limite para um espaço volumétrico maior. E o emaranhamento amarrará o espaço volumétrico em um todo único e contínuo.
Em 2009, Mark Van Raamsdonk, da University of British Columbia, forneceu uma explicação elegante para esse processo. Suponha que os campos na fronteira não estejam emaranhados - eles formam um par de sistemas fora de correlação. Eles correspondem a dois universos separados, entre os quais não há meio de comunicação. Quando os sistemas ficam emaranhados, uma espécie de túnel, um buraco de minhoca, é formado entre esses universos e espaçonaves podem se mover entre eles. Quanto maior o grau de emaranhamento, menor será o comprimento do buraco de minhoca. Os universos se fundem em um e não são mais dois separados. "O advento do grande espaço-tempo vincula diretamente o emaranhamento com esses graus de liberdade da teoria de campo", diz Van Raamsdonck. Quando vemos correlações em campos eletromagnéticos e outros, eles são o remanescente da coesão que une o espaço.
Muitas outras características do espaço, além de estarem conectadas, também podem refletir o emaranhamento. Van Raamsdonk e Brian Swingle, da University of Maryland, argumentam que a onipresença do emaranhamento explica a universalidade da gravidade - que ela afeta todos os objetos e permeia todos os lugares. Para os buracos negros, Leonard Susskind e Juan Maldacena acreditam que o emaranhamento entre o buraco negro e a radiação que ele emite cria um buraco de minhoca - a entrada negra do buraco negro. Assim, a informação é preservada e a física de um buraco negro é irreversível.
Embora essas ideias da teoria das cordas funcionem apenas para geometrias específicas e reconstruam apenas uma dimensão do espaço, alguns cientistas tentaram explicar o espaço do zero.
Na física e em geral nas ciências naturais, o espaço e o tempo são a base de todas as teorias. Mas nunca notamos diretamente o espaço-tempo. Em vez disso, deduzimos sua existência de nossa experiência cotidiana. Assumimos que a explicação mais lógica para os fenômenos que vemos será algum mecanismo que funciona no espaço-tempo. Mas a gravidade quântica nos diz que nem todos os fenômenos se encaixam perfeitamente em tal imagem do mundo. Os físicos precisam entender o que é ainda mais profundo, os meandros do espaço, a parte de trás de um espelho liso. Se eles tiverem sucesso, acabaremos com a revolução que Einstein começou há mais de um século.
Ilya Khel
