A parte que falta: por que os físicos são forçados a buscar uma teoria quântica da gravidade

A matemática usada na ciência em geral e na física em particular é frequentemente comparada com a linguagem - e isso dá a impressão de que serve principalmente como um código secreto para assustar estranhos e que isso é mais um inconveniente do que uma necessidade. E embora eu apóie e aprecie a popularização da ciência, evitar cuidadosamente os termos e equações técnicas leva ao fato de que a matemática é percebida como algo opcional, na melhor das hipóteses - cursiva e, na pior das hipóteses - um instrumento de tortura. Mas a matemática é muito mais.

Primeiro de tudo, a matemática é uma disciplina de pensamentos. Ele é eliminado das incertezas da linguagem e serve como uma ferramenta para derivar consequências de suposições. Ela não está sujeita às fraquezas humanas, não sente piedade e guarda a objetividade.



A física teórica moderna funciona criando teorias baseadas em um conjunto de suposições ou axiomas, embora não precisem ser claramente estabelecidas e, às vezes, apenas implicitamente definidas. No entanto, quando formuladas em termos matemáticos, essas suposições levam a um conjunto muito maior de conclusões impostas aos físicos. Para que uma teoria se torne admissível no sentido de sua aplicabilidade ao Universo, todas essas conclusões devem ser internamente consistentes, isto é, não gerar contradições e coincidir com as observações.

Para descrever os níveis mais fundamentais da natureza no momento, temos duas teorias - GR e o Modelo Padrão em física de partículas. GR é uma teoria clássica e o Modelo Padrão é uma teoria quântica de campos. O primeiro não obedece ao princípio da incerteza de Heisenberg, o segundo obedece. As duas teorias juntas são capazes de descrever todas as observações existentes, embora alguns aspectos dessas descrições não nos satisfaçam completamente, por exemplo, a estrutura microscópica ausente da matéria escura. A combinação das duas teorias coincide com as observações, mas o problema é que elas não concordam entre si.



Essa discrepância é melhor demonstrada pelo problema da perda de informações em um buraco negro. Combinando GR com a teoria quântica de campos, obtemos algo chamado "teoria quântica de campos no espaço curvo". É parcialmente clássico, parcialmente quântico e, portanto, é chamado de "gravidade semiclássica". Nesta teoria combinada, pode-se calcular que os buracos negros emitem radiação, chamada "radiação Hawking", em homenagem a seu descobridor.

Radiação Hawking - o espectro de um corpo negro sem sinais especiais e sem parâmetros determinantes, com exceção de uma coisa: sua temperatura, que depende da massa inicial do buraco negro. Isso significa que todos os buracos negros com a mesma massa inicial evaporam, produzindo exatamente a mesma radiação térmica, independentemente do que eles formaram. O processo de formação e subsequente evaporação de um buraco negro não é reversível: mesmo se sabemos tudo sobre o estado final, não podemos determinar o estado inicial. As informações são perdidas. O problema é que esse processo essencialmente irreversível é incompatível com a teoria quântica de campos usada para derivar esse processo: é uma contradição interna, uma incompatibilidade - e, portanto, a natureza não pode funcionar dessa maneira. A matemática nos impôs essa conclusão.



A combinação semiclássica de GR e o modelo padrão leva a outros problemas. Por exemplo, não sabemos o que acontece com o campo gravitacional de um elétron passando por um espaço duplo. Sabemos que a função de onda de um elétron está em superposição e passa pelos dois slots, criando uma distribuição estatística na tela durante a medição. Também sabemos que um elétron transporta energia. E sabemos que a energia cria um campo gravitacional. Mas como o campo gravitacional é clássico, ele não pode estar em superposição e passar por ambas as fendas como um elétron. O que acontece com o campo gravitacional de um elétron? Ninguém sabe, porque é muito fraco para ser medido. Tão simples e tão insultuoso!



A terceira razão para convencer os físicos de que a combinação de GR e SM é incompleta é que ela leva ao aparecimento de singularidades em circunstâncias razoavelmente comuns. Singularidades são objetos com densidade e curvatura infinitas de energia. Eles não são físicos e não devem aparecer em uma teoria significativa. Eles também aparecem, por exemplo, na hidrodinâmica, quando uma gota de água é separada. Porém, no último caso, sabe-se que a singularidade é um artefato do uso de aproximações em hidrodinâmica, que não funciona a distâncias subatômicas. Em distâncias muito curtas, teorias mais fundamentais (isto é, a teoria quântica, partículas individuais) devem ser usadas para descrever uma gota de água e não há singularidades nelas, o que é esperado.



Acredita-se que a quantificação da gravidade resolverá esses três problemas, expondo a estrutura espaço-tempo a distâncias muito pequenas. Infelizmente, a gravidade não pode ser quantificada, como outras interações do modelo padrão. Se aplicarmos esses métodos à gravidade, chegamos à teoria da "gravidade quântica efetiva", que não pode resolver esses problemas - ela ainda quebra com forte curvatura. Essa gravidade quantificada ingenuamente (“perturbativa”) não é adequada para resolver problemas com singularidades e evaporação de buracos negros, porque funciona apenas com gravidade fraca. Não faz sentido como uma teoria fundamental. Falando em "gravidade quântica", os físicos geralmente querem dizer uma teoria que funcionaria independentemente da gravidade da gravidade.

Existem várias abordagens teóricas para a gravidade quântica. Os mais famosos deles são a gravidade assintoticamente segura, a gravidade quântica em loop, a teoria das cordas e a triangulação dinâmica causal, além de idéias que se relacionam seriamente com a analogia da hidrodinâmica e consideram a gravidade um fenômeno derivado. Até agora, não se pode dizer qual das três abordagens descreve corretamente a natureza.

Seguindo os traços da medição de polarização na radiação cósmica de fundo em microondas do BICEP (agora foi estabelecido que isso é apenas uma conseqüência da poeira em primeiro plano), foi declarado que essa medida nos daria evidências de quantificação da gravidade. Isto não é inteiramente verdade. Em primeiro lugar, isso se aplica apenas aos campos gravitacionais fracos e, portanto, não à teoria fundamental da gravidade quântica. Além disso, você deve ter cuidado com as suposições feitas por uma questão de argumento. De fato, as flutuações gravitacionais quânticas no Universo primitivo deveriam ter deixado uma impressão na radiação de fundo, que em teoria pode ser vista. No entanto, será muito mais difícil provar que a gravidade quântica é a única maneira de criar flutuações observáveis. Tal conclusão exigiria algo como o teorema de Bell, uma prova demonstrandoque a teoria clássica não poderia fazer isso - mas não existe essa evidência.



A gravidade quântica não é uma área tão grande para pesquisas, como, por exemplo, física da matéria condensada ou pesquisa de câncer. Esta é uma pequena comunidade que, no entanto, atrai grande interesse público. E isso não é em vão. Sem gravidade quântica, não sabemos como o espaço e o tempo se comportam e não entendemos como nosso universo começou. Precisamos de uma teoria da gravidade quântica para explicar como o cosmos está estruturado e como ele surgiu.

Eu também acredito que essa teoria nos dará lições importantes sobre quantificação que serão úteis para nós na prática. Se você ouvir os adeptos da teoria das cordas, esse processo já começou, independentemente de a teoria das cordas poder resolver o problema da perda de informações em um buraco negro!

A atração da gravidade quântica se deve à pureza do problema e à inevitabilidade da lógica matemática, levando à conclusão de que não há parte importante do quebra-cabeça. Temos que descobrir se uma abordagem puramente matemática será suficiente para encontrar essa parte. Caso contrário, nossas conclusões permanecerão ambíguas e não haverá mais dados de orientação.

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