Quando a luz branca passa por um prisma, o arco-íris na outra extremidade exibe uma rica paleta de cores. Os teóricos da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia mostraram que em modelos do Universo que usam qualquer teoria quântica da gravidade, deve haver também uma espécie de "arco-íris", consistindo em diferentes versões de espaço-tempo. Esse mecanismo prevê que, em vez de um espaço-tempo único e comum, partículas de energias diferentes devem experimentar versões ligeiramente alteradas dele.
Todos nós provavelmente já vimos o experimento: quando a luz branca passa por um prisma, ela se decompõe para formar um arco-íris. Isso ocorre porque a luz branca é uma mistura de fótons de diferentes energias e, quanto maior a energia do fóton, mais ela é desviada pelo prisma. Assim, podemos dizer que um arco-íris surge porque fótons de diferentes energias percebem o mesmo prisma como tendo propriedades diferentes. Por muitos anos, os cientistas suspeitaram que partículas de diferentes energias em modelos do universo quântico sentem essencialmente diferentes estruturas do espaço-tempo.
Os físicos em Varsóvia usaram um modelo cosmológico contendo apenas dois componentes: gravidade e um tipo de matéria. No quadro da teoria geral da relatividade, o campo gravitacional é descrito por deformações do espaço-tempo, enquanto a matéria é representada por um campo escalar (o tipo mais simples de campo em que apenas um valor é inerente a cada ponto no espaço).
“Existem muitas teorias concorrentes da gravidade quântica hoje. Portanto, formulamos nosso modelo nos termos mais gerais para que possa ser aplicado a qualquer um deles. Alguém pode presumir um tipo de campo gravitacional - que na prática significa espaço-tempo - sugerido por uma teoria quântica, outro pode sugerir outra. Alguns operadores matemáticos no modelo mudarão, mas não a natureza dos fenômenos que ocorrem neles”, diz Andrea Dapor, uma estudante de graduação da Universidade de Varsóvia.
“Esse resultado é incrível. Começamos com o mundo difuso da geometria quântica, onde é até difícil dizer o que é tempo e o que é espaço, mas os fenômenos que ocorrem em nosso modelo cosmológico parecem estar acontecendo no espaço-tempo comum”, diz outro estudante graduado Mehdi Assaniussi.
As coisas ficaram ainda mais interessantes quando os físicos analisaram as excitações de campo escalar que eram interpretadas como partículas. Os cálculos mostraram que, neste modelo, as partículas que diferem em termos de energia interagem com o espaço-tempo quântico de uma maneira diferente - assim como os fótons com energias diferentes interagem de forma diferente com um prisma. Isso significa que mesmo a estrutura efetiva do espaço-tempo clássico é percebida de forma diferente por partículas individuais, dependendo de sua energia.
O aparecimento de um arco-íris comum pode ser descrito em termos do índice de refração, cuja magnitude depende do comprimento de onda da luz. No caso de um arco-íris de espaço-tempo semelhante, uma relação semelhante é proposta: a função beta, uma medida do grau de diferença na percepção do espaço-tempo clássico por diferentes partículas. Esta função reflete o grau de não-classicidade do espaço-tempo quântico: em condições próximas às clássicas, ele tende para zero, enquanto em verdadeiras condições quânticas tende para a unidade. Agora o Universo está em um estado clássico, então o valor beta é próximo a zero, os físicos estimam que não exceda 0,01. Um valor tão pequeno da função beta significa que o arco-íris do espaço-tempo é atualmente muito estreito e não pode ser detectado experimentalmente.
Um estudo realizado por físicos teóricos da Universidade de Varsóvia, financiado por bolsas do Centro Nacional de Ciências da Polônia, levou a outra conclusão interessante. O arco-íris do espaço-tempo é o resultado da gravidade quântica. Os físicos geralmente concordam que os efeitos de tal plano serão visíveis apenas em energias gigantescas próximas à energia de Planck, milhões ou bilhões de vezes mais altas do que a energia das partículas para a qual o Grande Colisor de Hádrons está agora acelerando. No entanto, o valor da função beta depende do tempo e, em momentos próximos ao Big Bang, pode ser muito maior. À medida que o beta se aproxima de zero, o arco-íris do espaço-tempo aumenta significativamente. Como resultado, sob tais condições, o efeito arco-íris da gravidade quântica pode ser potencialmente observado mesmo em energias de partículas que são centenas de vezes mais baixas,do que a energia dos prótons no moderno LHC.
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