A matemática não resolverá o problema da gravidade quântica, apenas experimentos podem fazê-lo
Em meados dos anos 90, estudei matemática. Eu não tinha muita certeza do que queria fazer na vida, mas fiquei impressionado com a capacidade da matemática de descrever o mundo natural. Após lições sobre geometria diferencial e álgebras de Lie, participei de uma série de seminários do Departamento de Matemática, que discutiram o maior problema da física fundamental: a quantificação da gravidade e a unificação de todas as forças da natureza sob um guarda-chuva teórico. Os workshops foram realizados em torno de uma nova abordagem desenvolvida por Abei Ashtekar, da Universidade da Pensilvânia. Eu não encontrei esse estudo antes e saí de lá com a impressão de que o problema foi resolvido, e ninguém mais sabe disso ainda.
Tudo isso parecia uma pura vitória de uma mente clara. Os requisitos de conectividade matemática levaram, por exemplo, à descoberta do bóson de Higgs. Sem ele, o Modelo Padrão para partículas que colidem com energias acima de 1 TeV deixaria de funcionar - e essas energias estão disponíveis no Large Hadron Collider. As probabilidades não dariam um total de 100% e perderiam seu significado matemático. Portanto, ao cruzar esse limite de energia, algo novo deveria ter aparecido. Higgs foi a mais simples das possibilidades que os físicos poderiam ter, e eles naturalmente a encontraram.
Uma estrela de nêutrons em movimento rápido PSR B1509-58 vive nesta nebulosa. Estrelas de nêutrons emitem pulsos regulares na faixa de rádio e podem ser usadas para procurar efeitos de gravidade quântica.Nas décadas de 1920 e 1930, a discrepância matemática entre a teoria especial da relatividade de Einstein e a versão original da mecânica quântica levou ao surgimento da teoria quântica de campos, na qual o Modelo Padrão era então baseado. A discrepância matemática entre a teoria especial da relatividade e a gravidade newtoniana levou ao surgimento de uma teoria geral da relatividade - nossa teoria mais moderna da gravidade. Agora, os físicos têm uma discrepância entre o modelo padrão e o GR. Obviamente, esperamos que a solução desse problema na forma da teoria quântica da gravidade se torne a mesma interrupção de coberturas dos casos anteriores.
Mas, com o tempo, aprendi sobre outros pesquisadores que usavam outros métodos e convenci-me de que eles também chegaram perto de resolver o problema. Teoria das cordas, gravidade quântica em loop, triangulação dinâmica causal, gravidade assintoticamente segura, conjuntos causais ... Os cientistas que praticaram essas abordagens também estavam confiantes de que poderiam decifrar a natureza usando apenas a matemática. Eles diferiram não porque um deles cometeu erros nas conclusões matemáticas, mas porque começaram a partir de premissas diferentes. A matemática é necessária para levar a cabo uma série de conclusões lógicas, mas nenhuma conclusão matemática será melhor do que suas premissas. A lógica não é suficiente para escolher entre teorias físicas. A única maneira de descobrir qual teoria descreve a natureza é realizar um teste experimental.
Mas os físicos que trabalham em abordagens diferentes raramente se comunicam e, se eles se comunicam, nunca concordam. E porque Na ausência de evidência experimental, eles não tinham motivos para concordar. Matemática acumulada, dezenas de milhares de artigos foram criados, centenas de conferências foram realizadas. E nem uma única abordagem produziu uma solução inequívoca. E com o passar das décadas, sem sucesso, surgiram dúvidas cada vez mais sobre a busca pela gravidade quântica.
Estranho, mas nos anos 90 quase ninguém tentou encontrar evidências observáveis da gravidade quântica; acreditava-se que isso era impossível. Os efeitos da gravidade quântica são extremamente fracos. Os físicos estimaram a probabilidade de detectar as supostas partículas de gravidade - gravitons - e descobriram que as chances disso são pequenas mesmo quando se usa detectores do tamanho de Júpiter orbitando uma estrela de nêutrons. [Rothman, T. & Boughn, S., Gravitons podem ser detectados? Fundamentos da Física 36, 1801-1825 (2006)]
Mas é realmente necessário detectar gravitons diretamente para encontrar evidências de gravidade quântica? Esta pergunta não me deixou ir. No final dos anos 90, mudei para o estudo da física. A maioria dos físicos que trabalha com gravidade quântica ainda acredita que sua matemática os abrirá o caminho para o sucesso. Eu não acredito nisso. Mas não tenho pessimismo quanto à inacessibilidade experimental da gravidade quântica. Pelo contrário, espero cautelosamente que, mesmo durante a minha vida, demonstremos com sucesso a quantificação da gravidade em um experimento.
Aqueles de nós que procuram evidências experimentais de gravidade quântica enfrentam um problema de pesquisa único: não temos teoria nem dados! Mas, mesmo na ausência de uma teoria geralmente aceita da gravidade quântica, podemos investigar as propriedades básicas esperadas e encontradas em várias teorias candidatas.
Por exemplo, algumas teorias indicam discrição do espaço-tempo. Nesse caso, pode ter defeitos, como cristais, capazes de confundir luz e desfocar imagens de quasares distantes. Algumas teorias acreditam que o espaço-tempo é algum tipo de base ou líquido; nesse caso, mesmo no vácuo, é possível encontrar propriedades materiais, como viscosidade ou dispersão. Algumas teorias prevêem quebra de simetria, respeitada na relatividade geral; outros acreditam que flutuações quânticas no espaço-tempo podem perturbar sistemas quânticos sensíveis. Tudo isso pode ser buscado.
Você já sabe que não encontramos nada - caso contrário, você já teria ouvido falar sobre isso. Mas mesmo a falta de resultados ajuda a desenvolver teorias. Tais casos nos ensinam que algumas idéias - por exemplo, que o espaço-tempo pode ser uma rede periódica - são simplesmente incompatíveis com as observações.
Obviamente, seria muito melhor obter uma confirmação real. Nos últimos anos, conseguimos encontrar várias novas oportunidades para abordar a meta. Pegue as ondas gravitacionais primárias. Essas pequenas flutuações do espaço-tempo no universo primitivo deveriam ter deixado uma marca distintiva na radiação relíquia. Em 2014, o grupo conjunto BICEP2 anunciou a medição dessa impressão digital e, apesar de estarem erradas, isso não significa que as ondas não existem. Só para encontrá-los exigirá mais esforço. E se os descobrirmos, suas propriedades quânticas nos ajudarão a desenvolver nosso modelo. Lawrence Kraus, da Universidade do Arizona, e Frank Wilchek, do MIT, argumentam que a detecção de ondas gravitacionais primárias mostrará que a gravidade deve ser quantizada [Krauss, L. & Wilczek, F., Usando a cosmologia para estabelecer a quantização da gravidade. Revisão Física D 89, 047501 (2014)]. Seu argumento é excessivamente simplificado, mas Vincent Vennin [Martin, J. & Vennin, V. Discórdia quântica da inflação cósmica: podemos mostrar que as anisotropias de cmb são de origem mecânica quântica? Physical Review D 93, 023505 (2016)] e Eugene Bianchi [Bianchi, E., Hackl, L., e Yokomizo, N. Tempo de emaranhamento no universo primordial. International Journal of Modern Physics D 24, 1544006 (2015)] independentemente envolvidos na análise de dados CMB que podem distinguir entre flutuações quânticas e não quânticas.
Telescópio BICEP2 no Pólo SulAinda existem buracos negros. A física dos buracos negros é um dos principais tópicos do estudo da gravidade quântica. Por um longo tempo, acreditava-se que os efeitos gravitacionais quânticos seriam perceptíveis apenas mais perto do centro dos buracos negros, escondidos atrás do horizonte, indicando sua fronteira e, portanto, incomensuráveis do lado de fora. Mas nos últimos anos, essa crença foi abalada. Por exemplo, de acordo com uma suposição teórica, os buracos negros são cercados por
firewalls - superfícies de materiais que destroem o material que cai neles. Embora eu e alguns outros estudiosos questionemos esse argumento [Hossenfelder, S. Desembaraçando o vácuo do buraco negro. Physical Review D 91, 044015 (2015)], não é a única razão para supor que os efeitos da gravidade quântica possam aparecer no horizonte.
E se eles aparecerem, o estudo de buracos negros pode nos revelar informações sobre a gravidade quântica. Michael Kavic, da Universidade de Long Island, sugeriu procurar sistemas binários que consistem em uma estrela de nêutrons orbitando um buraco negro. Uma estrela de nêutrons emite ondas de rádio e, se esse raio atingir o horizonte do buraco negro, o momento observado será alterado pela estrutura desse buraco [Estes, J., Kavic, M., Lippert, M., & Simonetti, JH, Brilhando a luz sobre a gravidade quântica com pulsar binários de buraco negro. arXiv: 1607.00018 (2016)]. Outra abordagem do Niayesh Afshordi do Perimeter Institute está estudando as ondas gravitacionais criadas pela fusão de buracos negros. Efeitos quânticos podem ocorrer quando o recém-formado buraco negro toma sua forma final [Abedi, J., Dykaar, H. & Afshordi, N. Ecos do Abismo: Evidência da estrutura em escala de Planck nos horizontes dos buracos negros. arXiv: 1612.00266 (2016)].
Mas a idéia mais promissora veio de um ângulo inesperado. Se o campo gravitacional puder ser quantizado, ele deve ter certas características quânticas, como uma superposição na qual o sistema está simultaneamente em diferentes estados.
Vamos dar um exemplo básico de comportamento quântico: um experimento com duas fendas. Se você direcionar um feixe de elétrons para uma tela na qual dois slots são cortados, os elétrons formarão um certo padrão de onda. Para sua aparência, cada elétron deve passar pelos dois slots simultaneamente - é uma superposição de caminhos. Mas o elétron tem massa e afeta o campo gravitacional. Se um elétron está em uma superposição quântica, seu campo também deve estar em uma superposição quântica. Essa é uma ideia muito estranha. Se a mesma coisa acontece com toda a Terra, uma maçã que cai de uma árvore experimentará dois campos gravitacionais diferentes e cairá em duas direções diferentes ao mesmo tempo. Tais características são incompatíveis com a mecânica quântica e a relatividade geral; a superposição de campos deve ser inerente à gravidade quântica.
Até agora, ninguém observou tais efeitos, já que o campo gravitacional de um elétron é muito fraco para ser medido. Nos últimos anos, vários grupos experimentais criaram superposições para objetos muito mais massivos. A vanguarda da ciência de hoje está trabalhando com massa em nanogramas. Marcus Aspelmeyer e seu grupo de Viena iniciaram um projeto ambicioso para medir a atração gravitacional em massa de 1 miligrama [Schmöle, J., Dragosits, M., Hepach, H. e Aspelmeyer, M. Um experimento micromecânico de prova de princípio para medir a força gravitacional de massas em miligramas. Gravidade clássica e quântica 33, 125031 (2016)]. Não está longe o dia em que possamos medir o campo gravitacional de objetos quânticos.
Uma abordagem semelhante está sendo usada por Mauro Paternostro com colegas da Universidade de Queens, em Belfast, para determinar exatamente quais características devem distinguir um campo gravitacional quantizado de um não quantizado [Krisnanda, T., Zuppardo, M., Paternostro, M., Tomasz Paterek, T. -classicalidade de objetos não medidos. arXiv: 1607.01140 (2016)]. Sua abordagem está ligada a uma propriedade quântica típica, o entrelaçamento, na qual existe uma correlação das propriedades de diferentes objetos. Imagine dois objetos interagindo através da gravidade. As correlações entre eles dependerão se esse campo é quantizado ou não. Em teoria, as correlações podem ser medidas e o campo quantificado.
Se tivéssemos óculos para observar ondas gravitacionais, a fusão de buracos negros pareceria mais brilhante que uma explosão de supernovaO fato de a ciência precisar de confirmação experimental de idéias não pode ser chamado de notícia, mas o sonho dos filósofos antigos de que apenas o raciocínio pode desvendar os segredos da natureza, infelizmente, vive entre os teóricos que trabalham com a gravidade quântica. Como resultado, os exercícios mentais, arbitrariamente complexos, se resumem a preferências estéticas ou filosóficas ao escolher pré-requisitos. Uma enorme quantidade de literatura sobre a gravidade quântica está envolvida no enterro dessas instalações sob montanhas matemáticas.
Vinte anos depois que ouvi falar pela primeira vez da gravidade quântica, essa área ainda é dominada por cientistas que confiam na sequência matemática. Mas o número daqueles que, como eu, estão estudando as possibilidades de verificação experimental da gravidade quântica está aumentando. E quanto mais visível a falha do método matemático se torna, mais claro é que o único caminho a seguir é procurar evidências experimentais, independentemente de sua complexidade. O primeiro passo é demonstrar a quantização da gravidade. E então você pode começar todo o espectro dos fenômenos gravitacionais. É assim que transferiremos a gravidade quântica da matemática para a física.
E o que se tornou física pode se tornar engenharia. Ao contrário de muitos de meus colegas, acredito que entender a quantização da gravidade pode nos ajudar na prática. Essa teoria não apenas melhorará nossa compreensão do espaço e do tempo, mas também dos sistemas quânticos em geral. Será um longo caminho. Mas levamos 2000 anos para ir dos quatro elementos de Aristóteles às quatro forças da física. Então a jornada será longa.